¿Cómo podemos 'ver'/medir/detectar partículas durante los experimentos?

Question

A menudo leo (de alto nivel, conceptual) artículos y noticias sobre los avances de la física de partículas. En estas declaraciones se realizan a lo largo de las líneas de " partícula X se divide en partículas y y Z que existen alrededor de una milmillonésima parte de un segundo y, a continuación, caries, ...'.

Lo que me pregunto es cómo un físico experimental ve o se deduce (me doy cuenta de que las partículas no son observados directamente) ¿qué sucede? ¿Qué los datos fundamentales investiga y basa sus conclusiones en la realidad y cómo se obtiene?

Answer 1

En resumen: Los Físicos analizar las partículas finales en la cadena de desintegración y de ellas se derivan las propiedades de las partículas interesantes.

Más detallado: Los detectores de partículas consisten en varias sub-detectores que miden diferentes cantidades, como el camino de la partícula cargada ("tracking"), vuelo a tiempo, la pérdida de energía y la energía total. A partir de estas cantidades, las partículas de los candidatos se crean. Eso significa que, algoritmos de tratar de estimar la masa de la partícula que causó una pista. Que se puede hacer mediante la combinación de todos los anteriormente mencionados cantidades (y algunos más).

Después de eso, uno tiene una lista de los detectados en el estado final de las partículas, su impulso, la energía y la masa. Dependiendo del experimento, se pueden distinguir los electrones, muones, cargada pions, cargada Kaons, los protones y fotones. Todas las demás partículas necesitan ser reconstruidas. Por ejemplo, un neutro $D$-meson degenera en una $K^+ \pi^-$ par. A partir de la energía y el impulso de la conservación de obtener la energía y el impulso de la $D$. El "derecho" Kaon y pion se encuentra probando todas las combinaciones de Kaons y pions y mantener sólo estas combinaciones que coincidan con un determinado requisito, por ejemplo, la masa de una $D$ que puede ser calculada a partir de la energía $E$ e ímpetu $p$$m_D = \sqrt{(E_K + E_\pi)^2 - |\vec{p}_K + \vec{p}_\pi|^2}$. Esto puede repetirse varias veces, va en la cadena de desintegración hacia atrás hasta que la partícula de interés.

Por supuesto, hay técnicas más avanzadas, pero el que debe darle a los principios.

Answer 2

Esta respuesta es para ser leído en paralelo con el uno por Gnorkx.

Este es uno de los más recientes detectores de partículas, CMS:

Detector CMS en una caverna 100 m bajo tierra, en el CERN, el Gran Colisionador de hadrones.

Nota de lo pequeño que es el hombre en el suelo.

CMS es un detector de partículas que está diseñado para ver una amplia gama de partículas y fenómenos producidos en colisiones de alta energía-en el LHC. Como un cuerpo cilíndrico de cebolla, capas diferentes de detectores de medir las diferentes partículas, y el uso de esta clave de datos para construir una imagen de los acontecimientos en el corazón de la colisión.

Aquí es un evento de este detector después de que el procesamiento se discutió en la otra respuesta:

Real de colisión protón-protón evento a 13 TeV en el detector CMS en el que dos electrones de alta energía (líneas verdes), dos de alta energía muones (líneas rojas), y dos de alta energía de los chorros (de color amarillo oscuro conos) se observan. El evento muestra características esperadas de producción del bosón de Higgs a través de bosón vectorial de fusión con la consiguiente desintegración del bosón de Higgs en cuatro leptones, y también es coherente con el fondo del modelo estándar de la física de los procesos.

El mismo evento que muestra el detector de cebolla niveles:

Esta respuesta de la mina podría ser relevante demasiado.

Aquí está una entrada en el blog de un tour de la caverna y el detector.

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Answer 3

descargo de responsabilidad: yo no soy un físico de partículas por lo que podría obtener algunos de los detalles sobre el experimento CMS o física de partículas mal, pero el detector de física se debe aceptar.

Las respuestas anteriores han respondido bien a la pregunta de cómo la huella de la final detectado partículas pueden ser utilizados para inferir las propiedades de la inicial de las partículas de interés. Voy a tratar de dar un poco más de información sobre el proceso de conversión de la presencia de una partícula en una señal detectable, que en realidad puede ser proyectado en una pantalla de ordenador.

Creo que uno de los la mayoría de los ejemplos básicos de la detección de las partículas es solo la detección de los fotones con un fotodiodo. Tomar un fotón único diodo de avalancha , por ejemplo. De manera abstracta, como un solo fotón golpea el material semiconductor y es absorbida para crear un electrón excitado. El electrón viaja a través del semiconductor (impulsado por un campo eléctrico producido por el diodo tensión de polarización) llamando gratis de otros electrones en su camino provocando una cascada de corriente que se hace más y más grande. El experimentador, a continuación, ejecuta esta corriente a través de un resistor (transimpedance amplificador) para crear una tensión y, a continuación, las medidas de este voltaje con algún tipo de osciloscopio o un voltímetro. Cuando el experimentador se ve un aumento en el voltaje de ella se puede inferir la presencia de un fotón en la ubicación del detector. Aquí está un poco de más información sobre la mecánica cuántica de los photodetection.

Hay una amplia gama de diferentes tipos de detectores , pero la idea fundamental es el núcleo que utilizan algún tipo de proceso donde las partículas detectables* se convierte en un electrón o una ráfaga de electrones que luego se amplifica en un nivel detectable de corriente o de tensión y, a continuación, utilizar este voltaje para inferir la presencia de (y a veces la energía de) la partícula de interés. Además, mediante la colocación de muchos de estos detectores en algunos patrón espacial puede obtener más información acerca de las partículas detectables (tales como su trayectoria o impulso) mirando en el patrón espacial de los detectores que son "iluminados" por el detectado partículas.

Así que, básicamente para cualquier "evento" (partícula ducha de protones colisionan) los experimentadores datos en bruto es un tiempo de seguimiento de la tensión que proviene de cada uno de los millones** de una sola detectores de partículas que componen el detector CMS. A continuación, en un lugar muy computacionalmente gravar proceso de análisis de todos estos canales de señal se analizan y se ponen juntos en una imagen que los experimentadores pueden dar sentido y analizados para determinar qué tipo de interacción creado la partícula ducha, que fue detectado. En el caso de la CMS, todo esto toma el trabajo de miles de científicos e ingenieros.

*Un análisis rápido de la CMS wiki me dice que hay detectores de electrones, muones, los fotones hadrones (protones, neutrones, kaons, pions) por ejemplo.

**Woah me acabo de enterar de cómo muchos de los detectores o 'píxeles' hacer hasta el detector, que es un montón!