Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
И на самых современных машинах создаются нейтринные пучки и ставятся нейтринные эксперименты: на ускорителе Института физики высоких энергий — ИФВЭ (недалеко от г. Серпухова, СССР), на синхрофазотроне Европейского центра ядерных исследований (Швейцария), на ускорителе Национальной лаборатории им. Ферми (США). Однако эти гиганты, на которых протоны разгоняются до энергии в сотни миллиардов электрон-волы, появились на сцене позже, чем были выполнены первые нейтринные эксперименты. А тогда, в 1962 г., опыты, поставленные на Брукхейвенском ускорителе (США), казались ошеломляющими.
Пучок протонов, разогнанных в ускорителе, в определенный момент отклоняется мощным импульсом магнитного поля. Он выходит из камеры ускорителя и попадает в мишень, обычно сделанную из бериллия. При взаимодействии протонов с веществом рождаются быстрые п- и К-мезоны. Вылетая из мишени и распадаясь на лету в специальном пролетном туннеле (например, в ускорителе ИФВЭ — это вакуумная труба длиной около 140 м), мезоны излучают нейтрино высокой энергии: п+ -> р,+ + + V11, лГ -> U- + Vn, R+^H+TV11 и K- -> Ll- + V11. Дальше пучок частиц попадает в пассивную защиту. В Брукхейвене для этой цели была использована броня, снятая со старого военного корабля. Толщина защиты составляла тринадцать метров. Благодаря ей поток сильно взаимодействующих частиц (я, K1 р и т. п.) снижался на двадцать четыре порядка.
Остановившиеся в защите мезоны тоже излучают при распаде нейтрино. Среди них и электронные (например, при распадах li-мєзонов). Но они обладают существенно меньшей энергией, чем родившиеся на лету, и не играют
130
роли для проводившегося эксперимента. Если существуют два сорта нейтрино — мюонное и электронное, то ускоритель — практически чистый источник V11
И V14.
Теперь следует сказать, что эксперименты на ускорителе сильно отличаются от реакторных опытов. Хотя общий поток нейтрино в первом случае на много порядков меньше, сами частицы обладают в тысячи раз большей энергией. А это очень важно, так как резко увеличивается вероятность взаимодействия нейтрино с веществом, открывается возможность исследовать реакции с высоким энергетическим порогом. Например, рождение мюона невозможно при взаимодействии с веществом реакторных нейтрино — их наибольшая энергия в двадцать раз меньше массы покоя р.-мезона, а для нейтрино от ускорителя соотношение обратное. Наконец, высокая энергия частиц позволяет успешно бороться с фоном. Фон естественной радиоактивности остается далеко внизу по энергетической шкале. Быстрые космические частицы летят в основном вертикально, а продукты нейтринных реакций — пучком по направлению полета V11. И тем не менее, перечисленные преимущества никоим образом не превратили нейтринные эксперименты в тривиальную задачу. Они потребовали создания уникальных детекторов, способных вместить огромную массу вещества, отличить нейтринное событие от фона и родившийся р.-мезон от электрона.
Для того чтобы зарегистрировать нейтрино, понадобилась огромная искровая камера, содержащая больше десяти тонн вещества. Она состояла из десяти одинаковых секций и была окружена сверху и с боков детекторами активной защиты для уменьшения космического фона, каждая секция начиналась и кончалась запускающими счетчиками. Между ними стояли параллельно десять алюминиевых пластин площадью 1,5 м2 каждая. Пластины служили электродами и разделялись разрядными промежутками. Нейтрино могло рождать легкую заряженную частицу — электрон или мюон в веществе пластин — и та, обладая большой энергией, проходила через несколько разрядных промежутков. Чтобы уменьшить фон, считались только такие события, трек которых возникал внутри секции, т. е. событие было вызвано нейтральной частицей. Кроме того, отбирались частицы, летящие под углом, меньшим шестидесяти градусов к направлению нейтринного пучка.
5* 131
Мюоны можно было отличить от электронов по характерным ливням вторичных частиц, которые возникали в камере. Было зарегистрировано 34 мезонных события, отвечающих всем критериям отбора. Пять из них могли возникнуть за счет космического фона. Если бы ve s ^ v11, число событий, вызванных электронами, тоже должно было бы быть около тридцати. Но их не наблюдали. Это дало возможность авторам сделать вывод о существовании двух типов нейтрино. В Брукхейвенском опыте статистика была невелика. Поэтому он через год был повторен в Центре Европейских ядерных исследований, где тоже использовалась многотонная искровая камера. Эксперименты подтвердили результаты Брукхейвена уже на тысячах зарегистрированных событий.
3.7. Вопросы и задачи
38. Ион, движущийся в ионизационной камере под действием приложенного поля E = 500 В/см, испытывает в секунду п = 1010 соударений с молекулами газа (азота). Найти скорость дрейфа этого иона v, т. е. скорость его направленного движения н електроду, если заряд иона е, масса М. (Можно считать, что при каждом соударении ион теряет всю полученную от движения в поле энергию.)
39. В плоской ионизационной камере (ее электроды — параллельно расположенные пластины) снимали зависимость амшштуды
