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

En resumen: los físicos analizan las partículas finales en la cadena de descomposición y derivan de ellas las propiedades de las partículas interesantes.

Más detallado: Los detectores de partículas constan de varios subdetectores que miden diferentes cantidades, como la ruta de la partícula cargada ("seguimiento"), el tiempo de vuelo, la pérdida de energía y la energía total. A partir de estas cantidades, se crean candidatos a partículas. Eso significa que los algoritmos intentan estimar la masa de la partícula que causó un rastro. Eso se puede hacer combinando todas las cantidades mencionadas anteriormente (y algunas más).

Después de eso, se tiene una lista de las partículas en estado final detectadas, su momento, energía y masa. Dependiendo del experimento, pueden distinguir electrones, muones, piones cargados, Kaones cargados, protones y fotones. Todas las demás partículas necesitan ser reconstruidas. Por ejemplo, un neutro$D$-mesón se descompone en un$K^+ \pi^-$par. A partir de la conservación de la energía y la cantidad de movimiento se obtiene la energía y la cantidad de movimiento del$D$. El Kaon y el pion "correctos" se encuentran probando todas las combinaciones de Kaons y piones y manteniendo solo estas combinaciones que cumplen con un requisito determinado, por ejemplo, la masa de un$D$que se puede calcular a partir de la energía$E$y el impulso$p$como$m_D = \sqrt{(E_K + E_\pi)^2 - |\vec{p}_K + \vec{p}_\pi|^2}$. Esto se puede repetir varias veces, yendo hacia atrás en la cadena de decaimiento hasta la partícula de interés.

Por supuesto que hay técnicas más avanzadas, pero eso debería darte los principios.

Esta respuesta debe leerse en paralelo con la de Gnorkx.

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

Detector CMS en una caverna a 100 m bajo tierra en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN.

Tenga en cuenta 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 una cebolla cilíndrica, diferentes capas de detectores miden las diferentes partículas y usan estos datos clave para construir una imagen de los eventos en el centro de la colisión.

Aquí hay un evento de este detector después del procesamiento discutido en la otra respuesta:

Evento real de colisión protón-protón a 13 TeV en el detector CMS en el que se observan dos electrones de alta energía (líneas verdes), dos muones de alta energía (líneas rojas) y dos chorros de alta energía (conos amarillo oscuro). El evento muestra las características que se esperan de la producción del bosón de Higgs a través de la fusión del bosón vectorial con el posterior decaimiento del bosón de Higgs en cuatro leptones, y también es consistente con los procesos físicos del modelo estándar de fondo.

El mismo evento que muestra los niveles de cebolla del detector:

Esta respuesta mía también podría ser relevante .

Aquí hay una entrada de blog de un recorrido por la caverna y el detector.

descargo de responsabilidad: no soy un físico de partículas, por lo que podría obtener algunos de los detalles sobre el experimento CMS o la física de partículas incorrectas, pero la física del detector debería estar bien.

Las respuestas anteriores han respondido bien a la pregunta de cómo se puede usar la huella de las partículas finales detectadas para inferir las propiedades de las partículas iniciales de interés. Intentaré dar un poco más de información sobre el proceso de convertir la presencia de una partícula en una señal detectable que en realidad se puede representar en la pantalla de una computadora.

Creo que uno de los ejemplos más básicos de detección de partículas es la detección de un solo fotón con un fotodiodo. Tome un diodo de avalancha de un solo fotónpor ejemplo. En resumen, un solo fotón golpea el material semiconductor y se absorbe para crear un electrón excitado. Luego, el electrón viaja a través del semiconductor (impulsado por un campo eléctrico producido por el voltaje de polarización del diodo) y libera otros electrones en su camino, lo que provoca una corriente en cascada que se hace cada vez más grande. Luego, el experimentador pasa esta corriente a través de una resistencia (amplificador de transimpedancia) para crear un voltaje y luego mide este voltaje con algún tipo de osciloscopio o voltímetro. Cada vez que el experimentador ve un pico en el voltaje, puede inferir la presencia de un fotón en la ubicación del detector. Aquí hay un poco más de información sobre la mecánica cuántica de la fotodetección .

Existe una amplia gama de diferentes tipos de detectores, pero la idea fundamental es que utilizan algún proceso en el que la partícula detectable* se convierte en un electrón o en una ráfaga de electrones que luego se amplifican en una corriente o voltaje detectable y luego usan este voltaje para inferir la presencia de (ya veces la energía de) la partícula de interés. Además, al colocar muchos de estos detectores en algún patrón espacial, puede obtener aún más información sobre la partícula detectable (como su trayectoria o momento) al observar el patrón espacial de los detectores que están "iluminados" por la partícula detectada.

Entonces, básicamente, para cualquier 'evento' (lluvia de partículas de la colisión de protones), los datos sin procesar de los experimentadores son un seguimiento temporal del voltaje que proviene de cada uno de los millones ** de detectores de partículas individuales que componen el detector CMS. Luego, en un proceso de análisis extremadamente exigente desde el punto de vista computacional, todos estos canales de señal se analizan y se juntan en una imagen que los experimentadores pueden entender y analizar más a fondo para determinar qué tipo de interacción creó la lluvia de partículas que se detectó. En el caso de CMS, todo esto requiere el trabajo de miles de científicos e ingenieros.

*Un escaneo rápido de la wiki de CMS me dice que hay detectores de electrones, muones, fotones, hadrones (protones, neutrones, kaones, piones), por ejemplo.

** Vaya, acabo de enterarme de cuántos detectores o 'píxeles' componen el detector, ¡eso es mucho!