[SCRÂȘIT] [FOSȘIT] [CLIC] PROFESOR: Bine ați revenit la 8.701. Începem un nou capitol despre instrumentare. Și în această primă secțiune, vom discuta despre interacțiunea particulelor cu materia. Deci, ce se întâmplă atunci când particulele traversează o bucată de material? Principiul de bază al detectării este că trebuie să avem un fel de interacțiune a materialului detectorului cu particulele care trec prin. Și trebuie să existe un fel de transfer de energie care să poată fi identificat. Apoi, acea bucată de energie poate fi amplificată, separată de zgomot și așa mai departe. Dar această primă parte a oricărui proces de detectare este această interacțiune a acestei particule cu materia. Ne putem întreba ce fel de particule putem identifica de fapt? Electroni, muoni, pioni, kaoni, protoni, neutroni, ioni grei și fotoni. Dar cheia aici în această listă de particule este că acele particule trebuie să fie stabile. Deci nu putem identifica direct tau, deoarece tau se descompune înainte de a avea șansa de a interacționa cu detectorul. Același lucru pentru quarcul nostru de top, bosonul Higgs și așa mai departe. Interesant, neutrini. Neutrinii interacționează cu detectorul foarte, foarte rar. Când o fac, detectează de fapt un semnal care nu este direct al neutrinului , ci al produselor interacțiunii. Deci vom împărți această discuție în interacțiunea particulelor neutre și a particulelor încărcate și începem cu fotonul. Deci fotonul interacționează cu materialul detectorului. Cu materialul în general, avem trei efecte principale. Efectul foto, împrăștierea Compton și producția de perechi. În efectul foto, avem un foton care interacționează cu un atom și apoi dă afară un electron. Și apoi, detectorul tău are șansa de a identifica energia și impulsul electronului. Acest concept este folosit în tuburile multiplicatoare foto unde apoi electronul scos este amplificat în continuare. Și asta duce la o ploaie de electroni care pot fi măsurați ca fotodioda [? specie ?] efect. Am discutat destul de mult despre efectul Compton. Aici, energia electronului împrăștiat poate fi măsurată din energia fotonului împrăștiat. Și apoi există producția de perechi. Producția de perechi a dominat energiile înalte. Și de obicei, face parte dintr-un proces de inițiere al dușurilor electromagnetice în calorimetre. Grozav. Deci, ceea ce se întâmplă în calorimetru - și vom vorbi despre asta mai târziu - este că un foton sau un electron care intră face ca acest foton să se transforme în perechi de electroni și pozitroni. Și apoi există această cascadă de electroni și pozitroni și fotoni suplimentari care sunt produși. În detectoarele de urmărire, acest lucru este nedorit. Prin urmare, construiți detectoare de urmărire destul de subțiri. Nu vrem să avem această confuzie de particule încărcate suplimentare și încercăm să măsurăm energia unui proton. Deci, acest grafic de aici vă arată secțiunea transversală în funcție de energia fotonului. Și vedeți aici foarte frumos acele trei efecte care contribuie la secțiunea transversală totală. Deci, pentru energii joase, în intervalul de aproximativ 100 keV, efectul foto domină. Și există acest interval intermediar de la aproximativ 100 keV la aproximativ 10 MeV unde vedem efectul împrăștierii Compton. Și totul de mai sus este dominat de producția de perechi. Și asta aici vă arată că există unele diferențe în ceea ce privește tipul de material cu care interacționați, desigur. Interacțiunea fotonului sau electronului. Din nou, principalul mecanism de pierdere a energiei pentru fotonii și electronii de înaltă energie din materie este prin producția de perechi și, de asemenea, prin bremsstrahlung. Bremsstrahlung este efectul când un electron sau un pozitron radiază un foton. Puteți caracteriza materialele prin introducerea unui concept de lungime a radiației. Și există o confuzie uneori. În definiție, ele sunt foarte asemănătoare, dar nu sunt chiar la fel. Lungimea radiației poate fi definită ca lungimea după care un electron pierde aproximativ 1 peste e din energia sa prin bremsstrahlung. Și găsiți adesea definiția prin lungimile medii ale drumului liber. Și în X0, lungimea radiației este definită ca 7/9 din lungimea medie a drumului liber pentru producția de perechi de către un foton. Deci acestea sunt cele două definiții. Și sunt de obicei folosite în regimul în care procesul este dominant. Este o proprietate foarte convenabilă din cauza cantității, pentru că nu trebuie să vă faceți griji atunci când vă gândiți la interacțiunea detectorului, la grosimea specifică și ce înseamnă aceasta în ceea ce privește pierderea de energie și pur și simplu să știți că piesa dvs. plumbul este o fracțiune din lungimea radiației. Și asta vă spune câți fotoni sau cât de mult din energia fotonului se pierde. În mod obișnuit, atunci când construiți concepte de detectoare, cum ar fi un experiment de coliziune, cum ar fi ATLAS sau CMS, doriți ca volumul de urmărire să aibă o lungime redusă de radiație. Iar pentru ATLAS și CMS, aceasta depinde de rapiditate sau de direcția înainte, dar variază între 30% și 200% din lungimea radiației. Iar pentru calorimetre, vrei ca toată energia să fie depusă în calorimetru. Nu s-a scurs nimic în spate și, prin urmare, proiectați calorimetre de obicei cu 20 sau 30 de lungimi de radiație [INAUDIBIL].. Deci, din nou, când mă gândesc la modul în care un foton sau un electron lasă o amprentă într-un calorimetru, pornești de la asta. primul electron și foton. Și apoi, această particulă evoluează într-un duș electromagnetic. Deci există acest efect de cascadă, pe măsură ce particula încearcă să se miște prin acest material. Maximul de duș este dat aici. Depinde putin de energie. Utilizează dependența logaritmică. Prezint aici energiile critice. Aici pierderea de energie prin ionizare este egală cu bremsstrahlung. Și vedeți asta în acest complot aici -- Este destul de mic -- în funcție de energie și pierderea de energie. Din nou, vedeți, acest efect aici este de la ionizare. Și acest efect aici este de la bremsstrahlung. Energia critică este definită ca acolo unde acele două mecanisme de pierdere a energiei vă oferă același rezultat. Deci acesta este doar un factor de normalizare. Dar vedeți că există această dependență logaritmică a pierderii de energie. De asemenea, vă puteți întreba cât de larg devine de fapt un duș. Și asta este dat de lățime. Lățimea transversală a dușului este dată de raza Moliere. Și asta este aproximativ. Găsiți 21 MeV peste energia critică ori lungimea radiației vă oferă dimensiunea părților transversale ale dușului. Și în acest exemplu, aceasta este de 8 centimetri, în comparație cu o lungime a dușului de 46 de centimetri. Acesta este un rezumat foarte rapid al dușurilor electromagnetice. Puteți avea și dușuri nucleare, desigur. Ai un neutron sau un proton care intră în calorimetrul tău. Aici, fizica este puțin mai complicată, dar puteți introduce concepte similare. Acest concept de lungimi de radiație pentru interacțiuni puternice ale hadronului cu nucleele. Deci, în ceea ce privește dușul electromagnetic, există această cascadă în curs de dezvoltare. Cu toate acestea, dacă în cascadă, de exemplu, ați alege un neutron. Acel neutron poate călători fără a lăsa o interacțiune pe o distanță destul de mare. Deci nu aveți acest tip continuu de flux de energie și aveți mici grupuri de energii. Și în acele grupuri, nu aveți doar interacțiune nucleară, ci puteți produce și noi pioni. Și acei pioni noi se descompun într-o pereche de fotoni. Și apoi, fotonii, ei lasă dușuri electromagnetice. Deci, dușurile hadronice au de obicei două componente - o parte hadronică, care este hadroni, pioni, kaoni, protoni, neutroni încărcați și o parte electromagnetică care este [INAUDIBILĂ] care provine din dezintegrarea neutronilor. Din dezintegrarea pionilor neutri, care sunt fotoni. Așadar, aici, doar pentru a vă da o senzație de patru ordine de mărime, având în vedere lungimea radiației-- radiația nucleară și electromagnetică sunt date în funcție de Z. Și pentru un gaz, vorbim despre sute de metri. Pentru material ușor -- aluminiu și silicon -- vorbim de 10 centimetri. Și pentru materiale grele -- în special plumb -- vorbim despre lungimea radiației sub centimetri . Trecerea de la particulele neutre de la fotoni și electroni-- scuze-- la interacțiunile cu particulele încărcate. Iată din nou, doar rezumand sau oferind mai întâi un rezumat, apoi parcurgând componentele individuale. Mecanismele de interacțiune sunt împrăștiere multiplă - împrăștiere elastică cu atomii. Acesta este un proces care nu este foarte dorit deoarece, atunci când încercați să monitorizați traiectoria particulei, nu doriți ca aceasta să se împrăștie și să-și schimbe aleatoriu direcția sau impulsul. Ionizarea este un mecanism de bază pentru urmărirea detectorilor. Radiația fotonică este o parte importantă prin bremsstrahlung dar și prin radiația Cerenkov sau radiația de tranziție. Și apoi, în scintilatoare, puteți excita materialul. Și apoi, dacă aveți un material cu fibre care deplasează lungimea de undă , puteți determina ca lumina de scintilație să fie deplasată în lungime de undă. Și apoi puteți citi acest lucru pentru a obține informații despre particulele care trec prin. În regulă. Să începem cu împrăștierea multiplă. Deci, după trecerea unui strat de grosime cu L, o particulă cu o anumită deplasare r și un anumit unghi de deformare. Deci, acest lucru este problematic deoarece pierzi informații prin procesul aleatoriu. Vedeți aici această distribuție aleatorie asemănătoare gaussiană, care este destul de enervantă. Deci, cheia aici este de a minimiza lungimile de radiație ale particulei care trece prin. Următoarea parte este o ionizare. Din nou, aceasta este o sursă primară de informații din care am obținut-o în detectoarele de urmărire. De obicei, aveți un număr de interacțiuni primare pe unitate de lungime care sunt distribuția Poisson. Deci, este un proces aleatoriu dacă particula vede sau nu un atom pe care îl poate ioniza. Și de obicei, într-un gaz, găsești aproximativ 30 dintre acele interacțiuni primare pe centimetru. Ai mai mult în materiale mai dense. Dacă ați scos un electron în procesul de ionizare, acel electron în sine poate duce din nou la ionizare secundară. Și odată ce acești electroni ating suficientă energie, uneori sunt vizibili ca urme individuale. Ei au numit electroni delta - particule noi care sunt vizibile în detectorul tău de urmărire. Fluctuațiile de energie pot fi foarte, foarte mari prin ionizare. Uneori, ai o interacțiune foarte dură și transferi multă energie către electron, în timp ce numărul mediu este bine sub control. Atat de interesant. Doar pentru a vă simți, din nou, aveți aproximativ 30 de interacțiuni primare pe centimetri în gaz. Energia totală de ionizare pe care o găsiți este de obicei de 3 ori mai mare decât energia de ionizare primară. Deci faci ca acele semințe de ionizare și apoi energia să se îndepărteze de această cale inițială. Când te uiți la distribuția pierderilor de energie, acesta este un complot frumos aici pe care l- am făcut cu mulți, mulți ani în urmă despre pierderea de energie într-o bucată de siliciu de 100 gb pion. Deci acest pion își pierde energia în primul rând prin ionizare. Și aceasta este o mică bucată de siliciu pe care am folosit-o aici. Deci vedeți această distribuție tipică. Se numește distribuția Landau cu o valoare cea mai probabilă și apoi o coadă foarte lungă. Și această coadă de aici este dominată de acei electroni delta despre care vorbeam. În imaginile cu camera cu bule sau cu camera de nor, vedeți acei electroni delta de aici ca mici bucle de ionizare de-a lungul părții principale a particulei voastre, conducând o pistă de ionizare. Pierderea de energie a particulelor încărcate poate fi calculată folosind formula Bethe-Bloch. Și este o descriere foarte bună într-un interval de energie specific - în domeniul de energie care este dominat de ionizare. Și așa, formula este dată aici. Mai discutăm despre asta în secțiunea noastră de recitare. Dar vedeți aici, în acest interval de energie medie, sunteți dominat de formula Bethe-Bloch sau de ionizare, unde, atunci când intrați în energii mai înalte aici, găsiți pierderi suplimentare de energie - pierderi de energie cu radiații. Deci putem studia detaliile acestei formule Bethe-Bloch. Un punct interesant este dependența de particule a pierderii de energie - și vedeți acest lucru aici arătat pentru un muon, pentru un pion și pentru proton. Dacă măsurați pierderea de energie a unei anumite particule într-un interval rezonabil de impuls, puteți utiliza aceste informații pentru a afla ce particulă călătorește prin detector. Deci, puteți utiliza pierderea de energie în unele cazuri în combinație cu măsurarea impulsului pentru a identifica particulele. Nu în ultimul rând, mai multe efecte ale radiațiilor. Radiația Cerenkov este o caracteristică foarte bună pentru a măsura și particulele pe măsură ce trec printr-un anumit material. Ele pot fi, de asemenea, utilizate pentru a identifica din nou particulele. Deci, ideea aici este că radiația Cerenkov este emisă atunci când o particulă trece printr-un mediu dielectric cu o viteză mai mare decât viteza luminii în acel mediu. Și asta provoacă un con de radiație. Este ca un bum sonic când trec avioane. Iar imaginea simplă este una dintre imaginile clasice. Este unul din acest con de front de undă sub un anumit unghi Cerenkov. Și apoi, nu în ultimul rând, radiația de tranziție. Acesta este un proces care a fost prezis de Ginzburg și Frenck în anii 1940. Ideea lui este că un foton este emis atunci când o particulă încărcată trece prin limita a două medii. Și așa, dacă aveți un mediu aici în vid, de exemplu, dacă particula trece prin aici, polarizează mediul când iese. Și acea polarizare duce apoi la un dipol electric care apoi începe să radieze. Și obțineți un foton din acest tip de radiație. Deci, dacă măsurați acest tip de radiație, s- ar putea să puteți identifica că particula care călătorește prin tranziția a două materiale a fost un electron. În regulă. Deci aceasta este prima introducere la subiect. Deci, în partea următoare, acum trebuie să înțelegem cum folosim aceste fenomene pentru a construi detectoare.