Cómo hacer el seguimiento de los detectores en los aceleradores de partículas crear las imágenes bonitas que vemos?

Question

He leído de varias fuentes sobre el seguimiento de los detectores en los aceleradores de partículas como el LHC, pero todavía no he encontrado una descripción más detallada del origen que puede ser entendido por una persona común como yo. Estoy en busca del CERN en el artículo, "Cómo un detector de obras". Yo estoy esperando para conocer más detalles sobre esta parte:

Dispositivos de seguimiento revelan las trayectorias de las partículas cargadas eléctricamente a medida que pasan a través de e interactuar con sustancias adecuadas. La mayoría de los dispositivos de seguimiento de no hacer trazas de partículas visibles directamente, pero registro de pequeñas señales eléctricas que las partículas activar como se mueven a través del dispositivo. Un programa de ordenador, a continuación, reconstruye el grabado los patrones de las pistas.

Mi pregunta es esta: Con el principio de incertidumbre y el observador efectos en mente, ¿cómo estas de seguimiento/rastreo de los dispositivos de medición tanto de la posición y el impulso de las partículas con el tipo de precisión que parecen llegar con el hermoso color de imágenes que usted ve de trazas de partículas saliendo de una colisión?

¿Usan algún tipo de carga de gas que emite luz cuando una partícula cargada, tal como un electrón, pasa a través de ellos? Puede electrones ser controlados, o sólo ciertas partículas más pesadas?

Answer 1

Primero de todo, el principio de incertidumbre y observador efectos son completamente irrelevantes. Los dispositivos de seguimiento en los modernos detectores son lo suficientemente grandes como para ser firmemente en el reino de la física clásica. Cualquier incertidumbre en el detector de la función de onda es insignificante en comparación con el tamaño y la energía del dispositivo en sí, y el efecto de detectado partículas en el tracker no es más que la pérdida de un par de electrones de aquí y de allá. Concedido, durante miles de millones de colisiones, esto podría convertirse en un problema, pero los seguidores están construidos para resistir este tipo de daño. Tienen conexiones eléctricas para reponer perdido electrones, y están hechos de materiales de alta densidad que conservan su estructura, incluso si el ocasional núcleo atómico se presenta transmuta en otro debido a la radiación.

En cuanto a cómo estos dispositivos de seguimiento en realidad el trabajo: hay varios tipos diferentes. Cada uno de ellos de los registros de un determinado tipo de información, y es sensible a ciertas partículas. Los seguidores están dispuestos alrededor de la línea de luz (la ruta de acceso a través del centro del detector, donde las partículas entrantes ir) de una manera que permite a los científicos identificar la firma de una determinada partícula de la cruz-la comprobación de las salidas de los diferentes tipos de rastreadores. Se ve básicamente como en esta foto, de la Wikipedia:

(ese es el ATLAS detector).

Un típico detector incluye los siguientes tipos de componentes, trabajando desde el interior:

• Un silicon tracker se compone de pequeñas "paneles" de silicio dispuestos en capas concéntricas alrededor de la línea de luz. Una cargada de partículas producidas en una colisión le pase a través de uno de estos paneles y golpear un par de electrones de la banda de conducción del silicio (a través de la interacción electromagnética), la creación de una señal eléctrica. Cada panel está conectado a su propio dedicado alambre, y el otro extremo de ese cable que corre para el detector del circuito de lectura (una interfaz entre el detector en sí y el CERN equipos), por lo que el equipo sabe exactamente que los paneles fueron expuestos a los salientes de las partículas, y, en cierta medida, de cuánto.

  Silicio trackers no se puede medir la cantidad de movimiento de una partícula, pero no cambio mucho. Están más centrados en la medición precisa de la posición. Desde que la persona paneles de silicio son muy pequeñas - tal vez un par de centímetros por un lado - el equipo consigue el acceso a información precisa acerca de la ubicación de la partícula a medida que pasa a través de este tracker. Y con seis o siete capas concéntricas de silicio, con un lapso de un par de centímetros de distancia, se puede reconstruir la trayectoria de la partícula bastante bien. Usted puede ver una visualización de la información recibida desde silicon tracker en el centro de esta imagen de la CMS, los bloques rojos en el medio:

  

  En esta etapa, es imposible saber qué tipo de partícula el tracker está viendo, pero sólo las partículas cargadas interactúan con el silicio, así que nada de lo que sale una pista a cobrar: probablemente un electrón, muón, o la luz del colisionador.

• Lo siguiente son los calorímetros, que son enormes bloques de metal diseñado para absorber ciertas partículas y medir sus energías y sus ímpetus. Generalmente hay dos tipos: los calorímetros electromagnéticos, que absorben la luz de las partículas que interactúan electromagnéticamente (electrones y fotones), y hadrónica calorímetros, que absorben las partículas que interactúan a través de la fuerza fuerte (casi todo lo demás).

  Calorímetros son en forma de delgadas "cuñas" que están apuntando hacia el punto de interacción, como puedes ver en la primera foto de esta página (ver la capa amarilla). Cada partícula de depositar su energía en una cuña del calorímetro, correspondiente a la dirección en la que sale el silicon tracker. Pero los calorímetros no detectar partículas individuales, sino que sólo puede identificar la cantidad de energía que se deposita en un determinado cuña, y de ese modo obtener una distribución de las direcciones en las que la energía salió de la colisión. La cantidad de energía depositada puede ser determinada mediante la medición de cómo duro el sistema de refrigeración tiene que trabajar para mantener el calorímetro a una temperatura constante.

  Si usted fuera a mirar en los datos recogidos por los calorímetros sólo, obtendrá algo como el amarillo bloques en esta imagen:

  

• Fuera de los calorímetros, modernos detectores de incluir un espectrómetro de muones, que funciona un poco como el silicon tracker, pero en una escala mucho mayor, cruzó el uso de tiras de metal en lugar de silicio. El espectrómetro de muones de los registros de las pistas de muones, mediante la comprobación de que las tiras de recibir señales eléctricas como los muones pasar a través de ellos, y se puede determinar sus ímpetus, porque todo el detector está dentro de un campo magnético, lo que hace que los muones' caminos de la curva. El radio de curvatura indica la cantidad de momentum de la partícula tenía.

En este punto, todo, excepto la de los neutrinos se ha detectado, y no hay nada que puedas hacer acerca de los neutrinos, por lo que nos acaba de dejar ir.

Como he mencionado antes, las señales eléctricas de los componentes alimentados en la lectura de los circuitos, que las convierten en señales digitales, que luego pasan a la computadora. Un detector ve a miles de colisiones por segundo y recopila una enorme cantidad de datos en cada uno, por lo que no puede ser almacenado. En cambio, las señales se envían a través de varios niveles de activación de sistemas. El primer nivel simplemente combina las lecturas de diferentes partes del detector y lanza cualquier detecciones que son "aburridos" - por ejemplo, ninguno de los seguidores tiene ningún tipo de lecturas, o las lecturas no supere un cierto umbral, o cualquiera que sea el detector de equipo decide que no es importante. (Pasan a través de un largo proceso de análisis para decidir lo que no es importante.) Después de eso, nada que no haya sido eliminado se envía al CERN equipo del clúster para un análisis más sofisticados. Lo que sale al final son conjuntos de números de dar la fuerza de la señal medida por cada una de las detector de componentes, pero sólo cuando todos los puntos fuertes de la señal en conjunto constituyen un interesante evento.

Si usted tiene acceso a estas intensidades de la señal, usted puede darles de comer en un programa de computadora que se va a producir una imagen del detector y de la trama de las correspondientes señales en la parte superior de la misma. Que es donde la partícula seguimientos que he visto vienen de: el detector equipo de prensa (u otras personas que tengan acceso a estos crudos mediciones) se tire de la mejor-en busca queridos y liberación generada por ordenador "imágenes" que muestran las mediciones.

Answer 2

OK, he encontrado material adicional en el CERN sitio que, además, describe el tracker detector y el silicio píxeles y silcon tiras dentro de los detectores. Cosas fascinantes.

El primer artículo dice que cada medición del detector es exacto a 10 micrómetros. Parece una gran precisión, esp. para sus propósitos. Sin embargo, calculo que alrededor de 100.000 átomos o unos 10.000.000 de longitudes de onda de rayos gamma podría encajar dentro de ese tipo de espacio de variación, por lo que parece el principio de incertidumbre es bastante intacta con estos tipos de mediciones... es decir, no una medición muy precisa tanto de la posición y el impulso de un individuo de baja masa de la partícula, como un electrón, supongo, a menos que se trataba de una mayor masa de partículas (como el Bosón de Higgs)?