Question

Как ученые регистрируют элементарные частицы?

Действительно, движутся со скоростью света, коротко живут. Ведь не покажешь же их в пробирке: "Вот бозон Хиггса!"

Answer 1

Если просто, то большинство частиц получают соудрением других частиц..

Т.е. разгоняют полем какую-то частицу и она ударяет по другой частице-мишени..

Обычно частица для разгона - лёгкая, типа электрона и заряженная, чтобы она могла управляться и разгоняться полем..

Грубо говоря элементарные частицы имеют мощную связь внутри вещества (составных частиц), причём что интересно чем меньше частица тем больше её энергия, так для тех же бозонов Хиггса энергия оценивается в сотни гигаэлетронвольт..

Итак, частицу разгоняют мощным полем (сначала это делали в линейных ускарителях, теперь - в круговых - синхроторнах, синхрофазотронах, в которых частицы летят по кругу в поле всё более ускоряясь) причём для получения всё больших частиц нужно всё большие скорости, для этого и делают всё более мощные ускорители с огромными туннелями..

В местах соударения ставятся камеры регистрации, например камера Вильсона, в ней находится пересыщенный пар, готовый к конденсации, но для её начала нужна какая-то частица, вот влетающая частица по траектории полёта вызывает конденсацию в виде капелек, при этом часто камеры помещают в магнитное поле, которое закручивает частицу и по трекам можно вычислить соотношение массы и заряда частицы..

Ну начинается всё с теории, в которой полагают что процессы должны происходить так или иначе, производят расчёты, устанавливают какие мощности нужны при соударении, какие частицы должны получиться, какая разница в массах и энергиях будет до и после реакции, вот эта разница и может быть той, что уносит с собой неуловимая частица, так было с частицой нейтрино..

А насчёт бозонов Хиггса, хоть и заявлено, что есть реакция о подтверждении существования этого бозона, есть много сомнений, что в результате столкновений получили тот самый предсказанный бозон, всё ещё впереди..

Answer 2

Ощущение такое, что народ пропустил последние 80 лет развития ускорительной техники...

Первое: ускоряют протоны, а не электроны. Уже давно. Большой Адроннй коллайдер потому и адронный, а не лептонный, что ускоряемые пучки - это протоны, а в некоторых экспериментах даже ядра свинца. Какие на фиг "электроны"...

Второе: современные электронные микроскопы "продемонстрировать атом" не в состоянии. Их предельное разрешение на порядок больше того, что нужно для регистрации отдельных атомов. Изображения атомов получаются на туннельных или атомно-силовых микроскопах, но не на электронных. Впрочем, это офф-топик.

Третье: "для получения всё бóльших частиц нужно всё бóльшие скорости" - это не совсем так. Нужно всё бóльшие энергии, это да, а вот скорость там примерно одна и та же. Почти что скорость света. Энергия, эквивалентная массе покоя протона, меньше 1 Гэв, даже дубнинский ускоритель на 72 Гэв уже давал протоны с энергией примерно в 80 раз большей, то есть уже сугубо релятивистские. При этом скорости протонов в дубнинском ускорителе и в БАКе отличаются на какие-то совсем вшивые доли процента.

Ну и к сабжу.

Как дети "исследуют" игрушки? Они их ломают. Чтоб посмотреть, что там внутри машинки, надо эту машнку сломать. Для исследования структуры элементарных частиц применяется ровно такой же подход: разломать и посмотреть на обломки.

И тут что важно понимать: что "коротко живут" - да, коротко, но по своим внутренним часам. Если на эти обломки смотреть снаружи, то из-за того, что движутся они тоже с релятивистскими скоростями, их собственное время для нас, внешних наблюдателей, растягивается. Поэтому даже за сверхкороткое время жизни они успевают переместиться на вполне макроскопическое (в нашем мире) расстояние, достаточное для того, чтоб можно было измерить их характеристики - энергию, заряд, импульс.

Вот это и делают ускорители: разогнанные до огромной энергии протоны со всей дури налетают на мишень - неподвижную, как в старых ускорителях, или такой же протон, несущийся навстречу, как в коллайдерах (по-русски - "ускоритель на встречных пучках"). Столкновение происходит в специальной области, утыканной самыми разными детекторами. Камеры Вильсона, надо сказать, уже давно не применяют - треки частиц регистрируются полупроводниковыми детекторами, в которых пролетающая частица вызывает ионизацию, и трек строится по координатам детекторов, с которых получен сигнал. До некоторой степени эти детекторы похожи на трёхмерную матрицу, аналогичную той, что ставится в цифровй камере (где матрица двумерная), просто регистрируют не фотоны, а что придётся.

Все такие детекторы "многослойные". За трековыми детекторами стоит "слой" детекторов энергии - калориметров. Их задача - полностью поглотить энергию влетевшей частицы. Фишка их ещё и в том, что они способны отдельно измерять энергию вторичных адронов и отдельно - энергию вторичных лептонов.

Следующий слой - мюонные детекторы: большинство распадов заканчивается образованием мюонов или антимюонов, которые в калориметрах поглощаются слабо - их масса слишком отличается от массы электронов, так что обмена энергией при из столкновении с электронамм почти нет, а в сильных взаимодействиях мюоны не участввуют, поэтому почти не рассиваются и ядрами.

Подробнее про детекторы на Большом Адронном коллайдере можно почитать тут.

Про бозон Хиггса сомнений практически нет. Надёжность определения того, что это именно то, что искали, превышает 5 сигма, что в физике элементарных частиц давно считается достаточно надёжным критерием.

Answer 3

Современные электронные микроскопы способны продемонстрировать атом. В принципе и частицы их волновую структуру. Техника не стоит на месте, скоро все теории об электронных частицах будут подтверждены с помощью электронного микроскопа. Пока его увеличение слишком мало всего в несколько миллионов раз, но я верю, что тот день настанет и при моей жизни.

А пока приходиться довольствоваться электронными ускорителями, для столкновения частиц и множества датчиков, чтобы вслепую разобраться.