Novo pripravený experiment NA62 v CERN-e bude hľadať fyziku presahujúcu nateraz platný a mimoriadne úspešný štandardný model. Novú fyziku bude hľadať meraním veľmi zriedkavých rozpadov nabitého kaónu.
Kaóny sú mimoriadne zaujímavé elementárne častice (pozri prvý článok tejto série). Rozpadajú sa rôznymi spôsobmi na ľahšie častice, pričom pre fyziku za štandardným modelom je veľmi zaujímavý vzácny rozpad kaónu na pión a dve neutrína (druhý článok série), niekedy nazývaný aj zlatý rozpad kaónu. V treťom článku sme sa dozvedeli, ako plánuje experiment NA62 v CERN-e pomocou urýchľovača SPS vyrábať nabité kaóny zrážkami protónov s berýliovým terčom. A dozvedeli sme sa aj to, že meranie pravdepodobnosti zlatého rozpadu si vyžaduje veľmi vysokú presnosť jednotlivých detektorov v experimente. V tomto článku si povieme, ako tie detektory fungujú a čo všetko musia splniť, aby sa dosiahla požadovaná presnosť merania.
.detektory
Reč bude najmä o tom, ako fungujú dva dôležité typy detektorov. A tiež o tom, ako dokážeme spojením čiastkových informácií z rôznych detektorov získať presnú informáciu o tom, čo sa v experimente udialo.
Úlohou detektora elementárnych častíc je v prvom rade zaregistrovať prechod častice (cez seba samého). Pritom by mal aj čo najpresnejšie odmerať čas tohto prechodu. A okrem toho by mal zmerať aj niektoré z kľúčových vlastností zaregistrovaných častíc, akými sú napríklad ich hmotnosť, náboj, rýchlosť, hybnosť či energia.
Základom samotného merania je interakcia prelietavajúcich elementárnych častíc s atómami a molekulami, z ktorých je detektor zložený. Dôsledkom tejto interakcie je v konečnom dôsledku elektrický signál (impulz), ktorý je zachytený a prípadne zosilnený špecializovanou elektronikou detektora.
Interakcia častice s molekulami látky môže byť sprostredkovaná buď silnou (jadrovou) silou pôsobiacou medzi protónmi, neutrónmi a jadrami atómov, alebo elektromagnetickou silou, ktorú cítia všetky elektricky nabité častice a fotóny. (Poznámka: zvyšné dve sily, t. j. slabá jadrová a gravitačná, sú príliš „slabé“ na to, aby sme ich mohli použiť na detekciu častíc v experimentoch na urýchľovačoch).
Žiadna z týchto dvoch síl nie je univerzálna pre všetky častice. To znamená, že neexistuje jeden zázračný typ detektora, ktorý by dokázal pri kontakte s ľubovoľnou časticou zistiť všetky jej charakteristické vlastnosti naraz. Detektory teda delíme podľa toho, aký typ interakcie využívajú a aké vlastnosti častíc merajú.
.stopovanie častíc a hybnosť
Jednou z najdôležitejších vlastností častíc je ich hybnosť. Detektory, ktoré dokážu merať hybnosť, sa zvyčajne nazývajú spektrometre. Hybosť je veličina, ktorá má smer rýchlosti častice a ktorej veľkosť je daná hmotnosťou a energiou častice (pričom platí, že pri zrážkach a rozpadoch častíc sa hybnosť zachováva).
Na meranie hybností nabitých častíc sa využíva fakt, že zakrivenie dráhy nabitej častice v magnetickom poli je dané okrem sily magnetického poľa práve veľkosťou hybnosti častice. Ak teda necháme častice prelietavať cez magnetické pole, stačí nám na určenie hybnosti zaznamenať dráhu nabitej častice. Podľa toho, či je zakrivená dráha ľavotočivá alebo pravotočivá (vzhľadom na smer intenzity magnetického poľa), vieme navyše určiť aj náboj častice.
Dráhu častice vo všeobecnosti určujeme zistením niekoľkých miest výskytu častice počas jej letu – zachytením jej stôp. Preto sa niekedy týmto detektorom hovorí, že sú stopovacie (anglicky tracking). Pekným príkladom stopovacieho detektora je Straw spektrometer experimentu NA62.
Názov Straw (po slovensky slama) je zvolený celkom priliehavo. Základnou stavebnou jednotkou tohto detektora je totiž dva metre dlhá plastová slamka s priemerom približne jeden centimeter. Celý detektor tvorí vyše sedemtisíc slamiek a silný magnet, pričom cez slamky prúdi inertný (chemicky neaktívny) plyn – zmes argónu a oxidu uhličitého. Každá slamka je zvonku pokrytá tenkou vrstvou medi a zlata, pričom stredom slamky prechádza tenký pozlátený volfrámový drôtik. Drôtik a pozlátený povrch slamky tvoria po pripojení na zdroj vysokého napätia opačne nabité elektródy.
Pri prechode nabitej častice cez slamku dochádza k interakcii medzi časticou a atómami plynu. Dôsledkom tejto interakcie môže byť „odtrhnutie“ niekoľkých elektrónov z atómov plynu (odborne nazývané ionizácia). Tieto elektróny sú pritiahnuté a zachytené kladne nabitým drôtikom v strede slamky. Zachytenie náboja je zaznamenané špeciálnou elektronikou, pričom sa ku samotnému elektrickému signálu pripojí aj informácia o čase, v ktorom signál prišiel.
Spojením informácií z jednotlivých šikovne umiestnených slamiek získame informácie o zahnutých dráhach nabitých častíc. A z nich vieme následne vypočítať hybnosti týchto častíc. V experimente NA62 meria Straw hybnosti všetkých nabitých častíc, ktoré vznikajú pri rozpadoch kaónov. Takýchto častíc je prejde detektorom približne desať miliónov zakaždú sekundu. Z toho približne tretinu tvoria kladne nabité pióny, ktoré sú pri hľadaní zlatého rozpadu najzaujímavejšie. Ale keďže Straw nedokáže pióny medzi ostatnými časticami rozoznať, potrebujeme mať v experimente aj iné detektory, ktorých úlohou bude práve identifikácia častíc.
.Čerenkovovo žiarenie a rýchlosť
Základnou vlastnosťou každej elementárnej častice je jej hmotnosť. Ak chceme v experimente identifikovať letiacu časticu, najlepšou stratégiou je práve presné meranie jej hmotnosti.
Hmotnosť častice, ktorá letí takmer rýchlosťou svetla, sa však pochopiteľne nedá získať položením na váhu. Dá sa ale určiť nepriamo odmeraním inej veličiny – rýchlosti.
Na prvé počutie to možno znie nepochopiteľne. Ako môže povedať rýchlosť niečo o hmotnosti? Sú to predsa dve nezávislé veličiny. Pointa však spočíva v tom, že na určenie hmotnosti nepoužijeme iba odmeranú rýchlosť, ale aj hybnosť, ktorú už zmeral iný detektor – spektrometer. Platí totiž, že medzi hmotnosťou, rýchlosťou a hybnosťou existuje jednoznačný vzťah, ktorý je daný špeciálnou teóriou relativity. A práve tento vzťah použijeme po meraní na výpočet hmotnosti.
Ako teda odmeriame rýchlosť častice? Základným princípom fungovania detektorov merajúcich rýchlosť častíc je takzvané Čerenkovovo žiarenie. Ide o elektromagnetické žiarenie tvorené fotónmi. Toto žiarenie vzniká pri prechode nabitej častice látkou vtedy, ak je rýchlosť častice vyššia ako rýchlosť svetla šíriaceho sa v danej látke.
Častice pohybujúce sa rýchlejšie ako svetlo? Také niečo môže existovať? Áno, môže. Svetlo je totiž v látkach spomalené prítomnosťou atómov. Rýchlosť šírenia sa svetla v látke je daná pomerom rýchlosti svetla vo vákuu a optickým indexom lomu látky. Napríklad vo vode je rýchlosť šírenia sa svetla len približne 75 percent z rýchlosti svetla vo vákuu. No a v experimentoch fyziky vysokých energií majú urýchlené častice rýchlosti také blízke rýchlosti svetla vo vákuu, že svetlo v látke ľahko predbehnú.
Čerenkovove fotóny sú voči dráhe nabitej častice vyžiarené pod určitým uhlom, ktorý je daný indexom lomu látky a rýchlosťou pohybu nabitej častice. Vďaka tomu vieme previesť úlohu merania rýchlosti častice na meranie uhla medzi trajektóriou častice a vyžiarenými fotónmi.
Detektorom tohto typu v experimente NA62 je RICH, čo je anglický akronym výrazu „Ring Imaging Čerenkov Counter“, vo voľnom preklade: detektor kruhov Čerenkovovho žiarenia. Je umiestnený za detektorom Straw, t.j. za oblasťou, v ktorej sa kaóny rozpadajú. Hlavnou úlohou tohto detektora je rozlíšiť, či nabitá častica, ktorá cez neho preletela, bola pión, alebo mión. Táto identifikácia je kľúčová pre nájdenie zlatého rozpadu kaónu medzi množstvom bežných rozpadov.
Hlavnou časťou detektora RICH je sedemnásť metrov dlhá rúra s priemerom dva a pol metra, naplnená neónom. V nej sa pri prechode nabitých častíc tvorí čerenkovovo žiarenie. Fotóny žiarenia sú zachytené fotonásobičmi. To sú detektory, ktoré zaregistrujú fotóny a vyšlú elektrický signál, ktorý následne spracuje elektronika detektora. Fotonásobiče sú špeciálne rozmiestnené tak, že podľa toho, ktoré z nich vyslali signál, vieme usúdiť, pod akým uhlom boli fotóny vyžiarené.
.pióny v NA62
Meranie pravdepodobnosti ultra zriedkavého procesu, akým je zlatý rozpad kaónu na nabitý pión a dve neutrína, je vo všeobecnosti veľmi náročné. Hlavnou úlohou a zároveň ťažkosťou je pozitívna identifikácia zlatého rozpadu medzi obrovským množstvom bežných rozpadov kaónu. A podstatné je pritom práve určovanie hmotnosti a rozlišovanie medzi dvoma časticami s podobnými hmotnosťami: piónom a miónom.
Prečo je práve toto dôležité? Neutrína sú len veľmi slabo interagujúce častice, v experimente typu NA62 ich nemáme šancu zachytiť. Z toho vyplýva, že prejavom zlatého rozpadu kaónu na pión a dve neutrína je zaregistrovaný kaón, z neho pochádzajúci pión a okrem toho už nič. Lenže na zlatý rozpad sa nápadne podobá aj iný rozpad kaónu, konkrétne veľmi častý rozpad na mión a neutríno. Pre neutríno opäť platí, že ho nevieme v experimente zachytiť, zatiaľ čo mión je nabitá častica, ktorej hmotnosť je dosť blízka hmotnosti piónu. To znamená, že na rozlíšenie zlatého rozpadu od bežného miónového rozpadu musíme vedieť s obrovskou istotou rozlíšiť mión od piónu.
V terminológii časticovej fyziky sa hľadaný rozpad zvykne nazývať signálom. Rozpady, ktoré sa na hľadaný rozpad podobajú, nazývame „pozadím“ (angl. background). Odlíšenie signálu od pozadia je základnou úlohou (nielen) časticových experimentov. Preto je pre experiment NA62 kľúčové spojenie informácií o hybnosti častice zo spektrometra (Straw) a rýchlosti z čerenkovského detektora (RICH). Iba spolu totiž dokážu rozoznať, aká nabitá častica vznikla pri rozpade kaónu. A podobné dôvtipné súhry medzi rôznymi detektormi tvoria základ fungovania všetkých experimentov časticovej fyziky.
.autor je fyzik, člen kolaborácie NA62.
Kaóny sú mimoriadne zaujímavé elementárne častice (pozri prvý článok tejto série). Rozpadajú sa rôznymi spôsobmi na ľahšie častice, pričom pre fyziku za štandardným modelom je veľmi zaujímavý vzácny rozpad kaónu na pión a dve neutrína (druhý článok série), niekedy nazývaný aj zlatý rozpad kaónu. V treťom článku sme sa dozvedeli, ako plánuje experiment NA62 v CERN-e pomocou urýchľovača SPS vyrábať nabité kaóny zrážkami protónov s berýliovým terčom. A dozvedeli sme sa aj to, že meranie pravdepodobnosti zlatého rozpadu si vyžaduje veľmi vysokú presnosť jednotlivých detektorov v experimente. V tomto článku si povieme, ako tie detektory fungujú a čo všetko musia splniť, aby sa dosiahla požadovaná presnosť merania.
.detektory
Reč bude najmä o tom, ako fungujú dva dôležité typy detektorov. A tiež o tom, ako dokážeme spojením čiastkových informácií z rôznych detektorov získať presnú informáciu o tom, čo sa v experimente udialo.
Úlohou detektora elementárnych častíc je v prvom rade zaregistrovať prechod častice (cez seba samého). Pritom by mal aj čo najpresnejšie odmerať čas tohto prechodu. A okrem toho by mal zmerať aj niektoré z kľúčových vlastností zaregistrovaných častíc, akými sú napríklad ich hmotnosť, náboj, rýchlosť, hybnosť či energia.
Základom samotného merania je interakcia prelietavajúcich elementárnych častíc s atómami a molekulami, z ktorých je detektor zložený. Dôsledkom tejto interakcie je v konečnom dôsledku elektrický signál (impulz), ktorý je zachytený a prípadne zosilnený špecializovanou elektronikou detektora.
Interakcia častice s molekulami látky môže byť sprostredkovaná buď silnou (jadrovou) silou pôsobiacou medzi protónmi, neutrónmi a jadrami atómov, alebo elektromagnetickou silou, ktorú cítia všetky elektricky nabité častice a fotóny. (Poznámka: zvyšné dve sily, t. j. slabá jadrová a gravitačná, sú príliš „slabé“ na to, aby sme ich mohli použiť na detekciu častíc v experimentoch na urýchľovačoch).
Žiadna z týchto dvoch síl nie je univerzálna pre všetky častice. To znamená, že neexistuje jeden zázračný typ detektora, ktorý by dokázal pri kontakte s ľubovoľnou časticou zistiť všetky jej charakteristické vlastnosti naraz. Detektory teda delíme podľa toho, aký typ interakcie využívajú a aké vlastnosti častíc merajú.
.stopovanie častíc a hybnosť
Jednou z najdôležitejších vlastností častíc je ich hybnosť. Detektory, ktoré dokážu merať hybnosť, sa zvyčajne nazývajú spektrometre. Hybosť je veličina, ktorá má smer rýchlosti častice a ktorej veľkosť je daná hmotnosťou a energiou častice (pričom platí, že pri zrážkach a rozpadoch častíc sa hybnosť zachováva).
Na meranie hybností nabitých častíc sa využíva fakt, že zakrivenie dráhy nabitej častice v magnetickom poli je dané okrem sily magnetického poľa práve veľkosťou hybnosti častice. Ak teda necháme častice prelietavať cez magnetické pole, stačí nám na určenie hybnosti zaznamenať dráhu nabitej častice. Podľa toho, či je zakrivená dráha ľavotočivá alebo pravotočivá (vzhľadom na smer intenzity magnetického poľa), vieme navyše určiť aj náboj častice.
Dráhu častice vo všeobecnosti určujeme zistením niekoľkých miest výskytu častice počas jej letu – zachytením jej stôp. Preto sa niekedy týmto detektorom hovorí, že sú stopovacie (anglicky tracking). Pekným príkladom stopovacieho detektora je Straw spektrometer experimentu NA62.
Názov Straw (po slovensky slama) je zvolený celkom priliehavo. Základnou stavebnou jednotkou tohto detektora je totiž dva metre dlhá plastová slamka s priemerom približne jeden centimeter. Celý detektor tvorí vyše sedemtisíc slamiek a silný magnet, pričom cez slamky prúdi inertný (chemicky neaktívny) plyn – zmes argónu a oxidu uhličitého. Každá slamka je zvonku pokrytá tenkou vrstvou medi a zlata, pričom stredom slamky prechádza tenký pozlátený volfrámový drôtik. Drôtik a pozlátený povrch slamky tvoria po pripojení na zdroj vysokého napätia opačne nabité elektródy.
Pri prechode nabitej častice cez slamku dochádza k interakcii medzi časticou a atómami plynu. Dôsledkom tejto interakcie môže byť „odtrhnutie“ niekoľkých elektrónov z atómov plynu (odborne nazývané ionizácia). Tieto elektróny sú pritiahnuté a zachytené kladne nabitým drôtikom v strede slamky. Zachytenie náboja je zaznamenané špeciálnou elektronikou, pričom sa ku samotnému elektrickému signálu pripojí aj informácia o čase, v ktorom signál prišiel.
Spojením informácií z jednotlivých šikovne umiestnených slamiek získame informácie o zahnutých dráhach nabitých častíc. A z nich vieme následne vypočítať hybnosti týchto častíc. V experimente NA62 meria Straw hybnosti všetkých nabitých častíc, ktoré vznikajú pri rozpadoch kaónov. Takýchto častíc je prejde detektorom približne desať miliónov zakaždú sekundu. Z toho približne tretinu tvoria kladne nabité pióny, ktoré sú pri hľadaní zlatého rozpadu najzaujímavejšie. Ale keďže Straw nedokáže pióny medzi ostatnými časticami rozoznať, potrebujeme mať v experimente aj iné detektory, ktorých úlohou bude práve identifikácia častíc.
.Čerenkovovo žiarenie a rýchlosť
Základnou vlastnosťou každej elementárnej častice je jej hmotnosť. Ak chceme v experimente identifikovať letiacu časticu, najlepšou stratégiou je práve presné meranie jej hmotnosti.
Hmotnosť častice, ktorá letí takmer rýchlosťou svetla, sa však pochopiteľne nedá získať položením na váhu. Dá sa ale určiť nepriamo odmeraním inej veličiny – rýchlosti.
Na prvé počutie to možno znie nepochopiteľne. Ako môže povedať rýchlosť niečo o hmotnosti? Sú to predsa dve nezávislé veličiny. Pointa však spočíva v tom, že na určenie hmotnosti nepoužijeme iba odmeranú rýchlosť, ale aj hybnosť, ktorú už zmeral iný detektor – spektrometer. Platí totiž, že medzi hmotnosťou, rýchlosťou a hybnosťou existuje jednoznačný vzťah, ktorý je daný špeciálnou teóriou relativity. A práve tento vzťah použijeme po meraní na výpočet hmotnosti.
Ako teda odmeriame rýchlosť častice? Základným princípom fungovania detektorov merajúcich rýchlosť častíc je takzvané Čerenkovovo žiarenie. Ide o elektromagnetické žiarenie tvorené fotónmi. Toto žiarenie vzniká pri prechode nabitej častice látkou vtedy, ak je rýchlosť častice vyššia ako rýchlosť svetla šíriaceho sa v danej látke.
Častice pohybujúce sa rýchlejšie ako svetlo? Také niečo môže existovať? Áno, môže. Svetlo je totiž v látkach spomalené prítomnosťou atómov. Rýchlosť šírenia sa svetla v látke je daná pomerom rýchlosti svetla vo vákuu a optickým indexom lomu látky. Napríklad vo vode je rýchlosť šírenia sa svetla len približne 75 percent z rýchlosti svetla vo vákuu. No a v experimentoch fyziky vysokých energií majú urýchlené častice rýchlosti také blízke rýchlosti svetla vo vákuu, že svetlo v látke ľahko predbehnú.
Čerenkovove fotóny sú voči dráhe nabitej častice vyžiarené pod určitým uhlom, ktorý je daný indexom lomu látky a rýchlosťou pohybu nabitej častice. Vďaka tomu vieme previesť úlohu merania rýchlosti častice na meranie uhla medzi trajektóriou častice a vyžiarenými fotónmi.
Detektorom tohto typu v experimente NA62 je RICH, čo je anglický akronym výrazu „Ring Imaging Čerenkov Counter“, vo voľnom preklade: detektor kruhov Čerenkovovho žiarenia. Je umiestnený za detektorom Straw, t.j. za oblasťou, v ktorej sa kaóny rozpadajú. Hlavnou úlohou tohto detektora je rozlíšiť, či nabitá častica, ktorá cez neho preletela, bola pión, alebo mión. Táto identifikácia je kľúčová pre nájdenie zlatého rozpadu kaónu medzi množstvom bežných rozpadov.
Hlavnou časťou detektora RICH je sedemnásť metrov dlhá rúra s priemerom dva a pol metra, naplnená neónom. V nej sa pri prechode nabitých častíc tvorí čerenkovovo žiarenie. Fotóny žiarenia sú zachytené fotonásobičmi. To sú detektory, ktoré zaregistrujú fotóny a vyšlú elektrický signál, ktorý následne spracuje elektronika detektora. Fotonásobiče sú špeciálne rozmiestnené tak, že podľa toho, ktoré z nich vyslali signál, vieme usúdiť, pod akým uhlom boli fotóny vyžiarené.
.pióny v NA62
Meranie pravdepodobnosti ultra zriedkavého procesu, akým je zlatý rozpad kaónu na nabitý pión a dve neutrína, je vo všeobecnosti veľmi náročné. Hlavnou úlohou a zároveň ťažkosťou je pozitívna identifikácia zlatého rozpadu medzi obrovským množstvom bežných rozpadov kaónu. A podstatné je pritom práve určovanie hmotnosti a rozlišovanie medzi dvoma časticami s podobnými hmotnosťami: piónom a miónom.
Prečo je práve toto dôležité? Neutrína sú len veľmi slabo interagujúce častice, v experimente typu NA62 ich nemáme šancu zachytiť. Z toho vyplýva, že prejavom zlatého rozpadu kaónu na pión a dve neutrína je zaregistrovaný kaón, z neho pochádzajúci pión a okrem toho už nič. Lenže na zlatý rozpad sa nápadne podobá aj iný rozpad kaónu, konkrétne veľmi častý rozpad na mión a neutríno. Pre neutríno opäť platí, že ho nevieme v experimente zachytiť, zatiaľ čo mión je nabitá častica, ktorej hmotnosť je dosť blízka hmotnosti piónu. To znamená, že na rozlíšenie zlatého rozpadu od bežného miónového rozpadu musíme vedieť s obrovskou istotou rozlíšiť mión od piónu.
V terminológii časticovej fyziky sa hľadaný rozpad zvykne nazývať signálom. Rozpady, ktoré sa na hľadaný rozpad podobajú, nazývame „pozadím“ (angl. background). Odlíšenie signálu od pozadia je základnou úlohou (nielen) časticových experimentov. Preto je pre experiment NA62 kľúčové spojenie informácií o hybnosti častice zo spektrometra (Straw) a rýchlosti z čerenkovského detektora (RICH). Iba spolu totiž dokážu rozoznať, aká nabitá častica vznikla pri rozpade kaónu. A podobné dôvtipné súhry medzi rôznymi detektormi tvoria základ fungovania všetkých experimentov časticovej fyziky.
.autor je fyzik, člen kolaborácie NA62.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.