¿Cómo se rastrean las trayectorias de las partículas en los aceleradores de partículas?

¿Cómo puedes rastrear los caminos de estas partículas, sin interferir con la partícula o destruirla?

tu no De hecho, los caminos no son "naturales", se crean como parte del proceso de medición.

Básicamente, los detectores se basan en que las partículas tienen tanta energía que no se verán perturbadas demasiado por las interacciones con lo que sea que estén usando para detectarlas. Hay varias formas de hacer la detección en sí, pero la mayoría de ellas se basan en algún tipo de estado hipersensible que alterará el paso de una partícula cargada.

Por ejemplo, en la cámara de burbujas, el hidrógeno líquido se pone en un estado crítico. Cuando una partícula cargada viaja a través de él, el rápido paso de la carga ioniza el hidrógeno, lo que hace que se forme una burbuja. La burbuja es lo suficientemente grande como para que puedas fotografiarla. La partícula se ralentiza por la interacción, pero está bien.

Ahora tenemos que identificar esa partícula. Normalmente, la forma en que se logra es colocando la cámara dentro de un imán muy poderoso. El imán interactuará con la partícula cargada y hará que se curve en un círculo. El radio de ese círculo está definido por la carga (que generalmente es 1 en estos casos) y la masa de la partícula. Entonces, al medir el radio, puede calcular la masa y así identificar la partícula.

Mira la primera imagen que publicaste. ¿Ves una serie de círculos justo cerca del medio? Esa es una sola partícula. Cuando se separó por primera vez, en la reacción en el centro, viajaba hacia la izquierda. El imán lo atrajo en un círculo en el sentido de las agujas del reloj. A medida que se movía en el círculo, reaccionaba con cualquier detector que se estuviera usando y perdía energía. Es por eso que los círculos se hacen cada vez más pequeños.

También notará líneas que se ven perfectamente rectas o ligeramente curvas. Todos estos son curvos, tan pequeños que parecen rectos. Eso significa que el imán no afecta tanto su camino, lo que generalmente significa que son más pesados ​​(en lugar de tener menos carga).

Hay todo tipo de sistemas detectores reales, pero generalmente todos funcionan de esta manera. Incluso puede usar una película fotográfica como detector, lo que solía ser bastante común. Hay sistemas que buscan la diminuta cantidad de electricidad que se crea cuando pasa una partícula, otros que usan el centelleo de un cristal, todo tipo de conceptos diferentes, pero al final todos funcionan básicamente de la misma manera al tratar de identificar lo que está sucediendo.

Esta es una ilustración de una porción del detector CMS en el CERN , que da finalmente las imágenes de las interacciones de un solo protón en el centro del detector.

El tamaño real del detector se puede ver aquí.

Una serie de detectores diferentes componen el detector CMS. Todas las pistas cargadas interactúan con la interacción electromagnética con el material del detector, dejando una huella.

Comenzando desde la izquierda, el rastreador de silicio ve partículas cargadas en el campo magnético, con un mínimo de materia en el camino, por lo que los neutrales no interactuarán allí y no se perderá mucha energía e impulso al dejar su rastro. Es como una serie de puntos. Los rayos gamma son captados por el calorímetro electromagnético, los hadrones cargados y neutros, terminan toda su energía en el calorímetro de hadrones, los muones que interactúan débilmente atraviesan mucha masa, como se ve en la ilustración.

Todos los datos son excitaciones registradas por miles de componentes electrónicos. El mapa de su geometría está en la computadora, por lo que las pistas se pueden reconstruir a partir de los puntos en el rastreador de silicio, la energía depositada medida se mide en los calorímetros. Todos estos datos identifican una dispersión de protones de protones, un evento. La acumulación de eventos permite comparar el estudio de la interacción de protón sobre protón con modelos teóricos.

El registro del camino tomado por las partículas de uno de esos eventos se reconstruye en la referencia que das.

Separaré mi respuesta en dos partes: huellas de fotones y huellas de partículas masivas.

Pero primero, siempre se reconstruye la trayectoria de las partículas, con más o menos precisión. No es posible tener una medición continua de las pistas. Además, las pistas son útiles, pero en última instancia, está más interesado en el impulso de las partículas.

• Fotones:

Como dijiste, no puedes detectar un fotón sin destruirlo. Así que el origen del fotón debe ser conocido. Se hace en el análisis, conociendo otras partículas y sus desintegraciones/interacciones. Si la detección de un fotón coincide en tiempo, posición y puede provenir de un punto de interacción, puede reconstruir la ruta del fotón (que es lineal, por lo que el origen y el punto final son suficientes).

• Otras partículas masivas:

Estos pueden interactuar con la materia sin ser destruidos o detenidos. La partícula deposita una pequeña cantidad de su energía en el detector y, mediante un proceso, esta energía produce una señal en un detector sensible a la posición. Si tiene N capas de detectores, puede tener N puntos que usa para obtener una imagen de la pista. Estos detectores pueden ser "gaseosos", por ejemplo GEM o Micromégas o cámara Multi-Wire, o de silicio, no soy experto en estos. Hay otros detectores sensibles a la posición, pero no estoy familiarizado con ellos.

EXCEPCIÓN: Dije que no puedes ver las huellas, pero hay un dispositivo que puede producir huellas visibles continuas de partículas (excepto fotones), la cámara de burbujas .

Espero que quede más claro cómo se detectan las partículas y cuál es la diferencia entre detectar fotones y otras partículas.