Детекторы для экспериментов на коллайдерах

Что происходит в результате столкновения частиц? Как устроены детекторы, фиксирующие их взаимодействие? Как детекторы, сконструированные физиками для экспериментов, находят применение в повседневной жизни? Об этом рассказывает доктор физико-математических наук Павел Пахлов.

Один из самых выгодных способов залезать как можно глубже в материю — это сталкивать две частицы. Как правило, сталкивают либо электроны с позитронами, либо протоны с антипротонами, либо протоны с протонами. Например, Большой адронный коллайдер — это ускоритель протонов, которые разогнаны до фантастически высокой энергии. Для того чтобы их разогнать и удерживать довольно долгое время внутри пучков, был построен Большой адронный коллайдер, который строили 10 лет или даже гораздо больше.

Детекторы регистрируют то, что получилось в результате столкновения частиц. Большинство частиц, которые производятся, живут очень мало: они не успевают пролететь и сотню микрон. Поэтому увидеть следы от них мы не можем, но можем увидеть следы их распада. В результате этих распадов получается небольшое количество типов частиц, которые можно увидеть с помощью многоэтажных детекторов. Это фотоны (частицы света), электроны и позитроны, мюоны (пролетают десятки метров), протоны (стабильные частицы), k-мезоны. Это список частиц, которые мы можем регистрировать. Для того чтобы понять, что произошло при взаимодействии, нам нужно узнать, какие у данных частиц импульсы, в каком направлении они полетели и что это была за частица.

Современные ускорители позволяют записывать примерно 1000 интересующих нас событий в секунду, например таких, в которых родился бозон Хиггса или b-мезон, изучаемый на отличия от своей античастицы. Эти большие, напичканные электроникой детекторы нужны, чтобы проникнуть в самую глубину материи, чтобы узнать, какие законы физики работают на маленьких расстояниях. Удивительно, что детекторы, которые изначально физики предназначают для своих нужд, очень быстро находят применение в повседневной жизни. Достаточно вспомнить телевизионную трубку, которая была придумана, чтобы смотреть на частицы (с помощью таких трубок наблюдали, как отклоняется электрон в магнитном поле), а потом ее успешно использовали, чтобы сделать телевизор.