¿Cómo crean los detectores de seguimiento en los aceleradores de partículas las bonitas imágenes que vemos?

En primer lugar, el principio de incertidumbre y los efectos del observador son completamente irrelevantes. Los dispositivos de seguimiento en los detectores modernos son lo suficientemente grandes como para estar firmemente en el ámbito de la física clásica. Cualquier incertidumbre en la función de onda del detector es insignificante en comparación con el tamaño y la energía del propio dispositivo, y el efecto de las partículas detectadas en el rastreador no es más que la pérdida de algunos electrones aquí y allá. Por supuesto, después de billones de colisiones, esto podría convertirse en un problema, pero los rastreadores están diseñados para resistir este tipo de daño. Tienen conexiones eléctricas para reponer los electrones perdidos y están hechos de materiales densos que retendrán su estructura incluso si el núcleo atómico ocasional se transmuta en otro debido a la radiación.

En cuanto a cómo funcionan realmente estos dispositivos de rastreo: hay varios tipos diferentes. Cada uno de ellos registra un tipo particular de información y es sensible solo a ciertas partículas. Los rastreadores están dispuestos alrededor de la línea de luz (el camino a través del centro del detector, donde van las partículas entrantes) de una manera que permite a los científicos identificar la firma de una partícula en particular mediante la verificación cruzada de las salidas de diferentes tipos de rastreadores. Se ve básicamente como esta imagen, de Wikipedia:

(Ese es el detector ATLAS ).

Un detector típico incluye los siguientes tipos de componentes, que funcionan de adentro hacia afuera:

• Un rastreador de silicio consta de pequeños "paneles" de silicio dispuestos en capas concéntricas alrededor de la línea de luz. Una partícula cargada producida en una colisión pasará a través de uno de estos paneles y eliminará algunos electrones de la banda de conducción del silicio (a través de la interacción electromagnética), creando una señal eléctrica. Cada panel está conectado a su propio cable dedicado, y el otro extremo de ese cable va al circuito de lectura del detector (una interfaz entre el detector mismo y las computadoras del CERN), para que la computadora sepa exactamente qué paneles estuvieron expuestos a las partículas salientes y hasta cierto punto, cuánto.

  Los rastreadores de silicio no miden el impulso de una partícula, pero tampoco lo cambian mucho. Están más centrados en medir con precisión la posición . Dado que los paneles de silicio individuales son bastante pequeños, tal vez unos pocos centímetros de lado, la computadora obtiene acceso a información precisa sobre la ubicación de la partícula a medida que pasa a través de este rastreador. Y con seis o siete capas concéntricas de silicio, separadas unos pocos centímetros, se puede reconstruir bastante bien la trayectoria de la partícula. Puede ver una visualización de la información recibida del rastreador de silicio en el centro de esta imagen de CMS , los bloques rojos en el medio:

  

  En esta etapa, es imposible saber qué tipo de partícula está viendo el rastreador, pero solo las partículas cargadas interactúan con el silicio, por lo que cualquier cosa que deje un rastro debe estar cargada: probablemente un electrón, un muón o un hadrón de luz.

• El siguiente paso son los calorímetros , que son bloques masivos de metal diseñados para absorber ciertas partículas y medir sus energías y momentos. Por lo general, hay dos tipos: calorímetros electromagnéticos, que absorben partículas de luz que interactúan electromagnéticamente (electrones y fotones), y calorímetros hadrónicos, que absorben partículas que interactúan a través de la fuerza fuerte (casi todo lo demás).

  Los calorímetros tienen forma de "cuñas" delgadas que apuntan hacia el punto de interacción, como puede ver en la primera imagen de esta página (ver la capa amarilla). Cada partícula deposita su energía en una cuña del calorímetro, correspondiente a la dirección en la que salió del rastreador de silicio. Pero los calorímetros no detectan partículas individuales; solo pueden identificar cuánta energía se depositó en una cuña en particular y, por lo tanto, obtener una distribución de las direcciones en las que salió la energía de la colisión. La cantidad de energía depositada se puede determinar midiendo qué tan duro tiene que trabajar el sistema de enfriamiento para mantener el calorímetro a una temperatura constante.

  Si tuviera que mirar los datos recopilados solo por los calorímetros, obtendría algo como los bloques amarillos en esta imagen :

  

• Fuera de los calorímetros, los detectores modernos incluyen un espectrómetro de muones , que funciona un poco como el rastreador de silicio pero a una escala mucho mayor, utilizando tiras cruzadas de metal en lugar de silicio. El espectrómetro de muones registra las huellas de los muones al verificar qué tiras reciben señales eléctricas a medida que los muones pasan a través de ellas, y puede determinar sus momentos porque todo el detector está dentro de un campo magnético, lo que hace que las trayectorias de los muones se curven. El radio de curvatura te dice cuánto impulso tenía la partícula.

En este punto, todo excepto los neutrinos ha sido detectado, y no hay nada que puedas hacer con los neutrinos, así que simplemente los dejamos ir.

Como mencioné antes, las señales eléctricas de los componentes se alimentan a los circuitos de lectura, que las convierten en señales digitales que luego se transmiten a la computadora. Un detector ve miles de colisiones por segundo y recopila una enorme cantidad de datos en cada uno, por lo que no se puede almacenar todo. En cambio, las señales se envían a través de varios niveles de sistemas de activación. El primer nivel simplemente combina las lecturas de diferentes partes del detector y elimina las detecciones que son "aburridas". equipo decide que no es importante. (Pasan por un largo proceso de análisis para decidir qué no es importante). Después de eso, cualquier cosa que no haya sido Lo eliminado se envía al clúster de computadoras del CERN para un análisis más sofisticado. Lo que sale al final son conjuntos de números que dan la intensidad de la señal medida por cada uno de los componentes del detector, pero solo cuando todas esas intensidades de señal juntas constituyen un evento interesante.

Si tiene acceso a estas intensidades de señal, puede introducirlas en un programa de computadora que producirá una imagen del detector y trazará las señales correspondientes encima. De ahí es de donde provienen los rastros de partículas que ha visto: el equipo de prensa del detector (u otras personas que tienen acceso a estas mediciones sin procesar) extraerán las más atractivas y publicarán "imágenes" generadas por computadora que muestran las mediciones.

Bien, he encontrado material adicional en el sitio del CERN que describe con más detalle el detector de seguimiento y los píxeles de silicio y las tiras de silicio dentro de los detectores. Cosas fascinantes.

El primer artículo dice que cada medida del detector tiene una precisión de 10 micrómetros. Parece una gran precisión, esp. para sus fines. Sin embargo, calculo que alrededor de 100.000 átomos o alrededor de 10.000.000 de longitudes de onda de rayos gamma cabrían dentro de ese tipo de variación espacial, por lo que parece que el principio de incertidumbre está bastante intacto con este tipo de medidas... es decir, no es una medida muy precisa tanto de la posición y momento de una partícula individual de baja masa, como un electrón, supongo, a menos que fuera una partícula de mayor masa (como un bosón de Higgs)?