Ako nám detektory častíc odhalili a stále odhaľujú skryté svety 2/3

  • Valentín Korinek | 21 Október 2021
    Svet fyziky
Subatomárna častica nazývaná kaon sa rozpadá na iné častice, ktoré na tomto obrázku bublinovej komory zo 70. rokov minulého storočia zanechávajú zreteľné špirály. (CERN)
Subatomárne častice prenikajú naše telá v každom okamihu po miliardách. Každú sekundu prejde nami asi 100 miliárd neutrín zo Slnka. Doslova sa kúpeme  v daždi miónov vytvorených v zemskej atmosfére. Aj bezvýznamné banány emitujú pozitróny, čo sú náprotivky elektrónov ale s pozitívnym nábojom. Pozitrón je antičasticou elektrónu. Existuje obrovské množstvo týchto častí, no my ich nevnímame , pretože sú pre nás neviditeľné. Postupom času sa technológie na detekciu častíc výrazne zlepšili. V sérii týchto článkov vám poodhalíme niektoré princípy, na ktorých detektory fungujú a vďaka ktorým sa pre nás neviditeľné stáva viditeľným.

Pokračovanie článku Ako nám detektory častíc odhalili a stále odhaľujú skryté svety 1/3


Bublinové komory

V päťdesiatych rokoch minulého storočia sa začali využívať tzv. bublinové komory. Princíp spočíval v tom, že keď nabité častice prechádzali kvapalinou v bublinovej komore, zanechávali za sebou stopy v podobe malých bubliniek pary, (vyzerá to ako malé dúhové bublinky, ktoré sa tiahnu po mydlovej väčšej bubline). Aj keď tieto komory boli napĺňané predovšetkým kvapalným vodíkom, mohli sa pridávať aj iné kvapaliny; jeden prototyp bublinovej komory používal dokonca pivo. Bublinové komory mali výhodu v tom, že boli väčšie ako oblakové komory a vytvárali tak ostrejšie stopy, čo umožnilo detailnejšie pozorovania väčšieho množstva častíc.

V tom istom desaťročí sa do popredia dostali urýchľovače častíc. Tieto urýchľovače produkujú energetické zväzky častíc, ktorými vedci pomocou spomínaných urýchľovačov bombardujú iné častice alebo špecifické ciele. Tieto kolízie produkujú oveľa väčší nával nových častíc. Vedci tiež skúšali tieto zväzky poslať do bublinových komôr, aby zistili čo sa stane. Výsledné obrázky boli nielen vedecky zaujímavé, ale boli predovšetkým ohromujúce.

 
Prechod na digitál

Oblakové a bublinové komory však mali jednu nevýhodu. Stopy boli zvyčajne zaznamenávané fotografiami a každú bolo potrebné skontrolovať okom, aby sa zistilo niečo zaujímavé. Tento proces bol príliš pomalý, bránil fyzikom v objavovaní častíc, ktoré by sa mohli objaviť na jednej alebo dvoch fotografiách z nespočetného množstva záberov. Aby sa vzácne častice zachytili, bolo potrebné informácie z detektorov digitalizovať.

Na rad ale prišli viacvodičové proporcionálne komory. Táto technológia bola vynájdená v roku 1968 a opiera sa o jemnú sústavu vysokonapäťových drôtov, ktoré zaznamenávajú náboj produkovaný, keď prichádzajúce častice uvoľňujú elektróny z atómov v komore naplnenej plynom. Táto technika dokázala zachytiť milióny stôp častíc za sekundu, oveľa viac, ako by mohli dosiahnuť bublinové komory. Dáta putovali priamo do počítača na analýzu. Proporcionálne komory s viacerými drôtmi a ich nasledovníci spôsobili revolúciu vo fyzike častíc a viedli k objavom častíc, ako je pôvabný kvark a gluón v sedemdesiatych rokoch minulého storočia a bozóny W a Z v osemdesiatych rokoch minulého storočia.

Niektoré z najpokročilejších moderných detektorov sledujú svoj pôvod vo viacvodičových proporcionálnych komorách, ako sú napríklad komory s časovou projekčnou komorou s kvapalným argónom. Tieto detektory majú vysoké rozlíšenie, čo znamená, že vedci môžu priblížiť detaily interakcie a vizualizovať ju v 3D. Tekutá argónová projekčná komora bude kľúčom k jednému z najväčších nadchádzajúcich experimentov časticovej fyziky v USA, experimentu Deep Underground Neutrino v Južnej Dakote. Keďže neutrína veľmi zriedka interagujú s hmotou, experiment vyžaduje takéto pokročilé detekčné techniky.

Pokračovanie a záver v článku Ako nám detektory častíc odhalili a stále odhaľujú skryté svety 3/3  nabudúce.

Galéria obrázkov k článku

Veľká európska bublinová komora, zobrazená pri inštalácii, začala fungovať v CERNe pri Ženeve v roku 1973. (CERN )
Detektor CERN UA1 bol aktívny od roku 1981 do roku 1990; jeho najpozoruhodnejšími objavmi boli W a Z bozóny spolu s experimentom UA2. Tento obrázok ukazuje časť zariadenia, pretkaného mnohými jemnými drôtmi, vystaveného v múzeu v CERNe. (Mark Williamson/Wikimedia Commons ( CC BY-SA 4.0 ))
V detektore UA1 v CERN-e pri Ženeve zaznamenali vysokonapäťové vodiče elektrický náboj vytvorený pri vstupe častíc, ktoré uvoľnili elektróny z atómov v komore naplnenej plynom. Na tomto počítačovom displeji sa protón a antiprotón zrazili a zničili, čím sa vytvorili nové častice, ktoré sa pohybovali rôznymi smermi. (Peter IP Kalmus, experiment/vedecký zdroj UA1)