Masterclass: hands on particle physics (II): Detectors

Fa uns dies parlava sobre el model estàndard i més concretament de la feina que estan fent al CERN per verificar-lo i seguir endavant en el camp de la cosmologia i la física de partícules.

Quan es parla del CERN no es pot evitar pensar en grans acceleradors de partícules que fan col·lisionar feixos iònics a velocitats properes a la de la llum. D'aquestes col·lisions tan energètiques en resulten una sèrie de partícules que molt hàbilment s'han après a identificar.

Aquest és el problema, com es fa per detectar les partícules si de per sí ja són més petites que qualsevol cosa que pot concebre la nostra imaginació?

Aquests últims dies els mitjans de comunicació han donat a conèixer els comptadors Geiger-Müller arran de la fuita de partícules radioactives d'Ascó. Els comptadors Geiger detecten les radiacions ionitzants, és a dir, les que tenen la capacitat d'arrencar electrons. Els Geiger disposen d'un cilindre amb un gas noble en què s'hi genera una diferència de potencial d'uns quants centenars de volts. Quan una radiació ionitzant passa a través del tub ionitza àtoms de gas creant ions positius i electrons. Els ions són accelerats pel camp elèctric generat cap al càtode i els electrons són accelerats cap a l’ànode. En el seu peculiar viatge cap als elèctrodes les partícules tenen una energia suficient com per crear més parelles de partícules carregades. L’ànode és un conductor que travessa el cilindre de punta a punta mentre que el càtode és la part externa. El que fa el comptador és mesurar la intensitat a través del conductor i així saber si hi ha partícules ionitzants.

Un altre dels sistemes utilitzats va ser la càmera de bombolles. Les cambres de bombolles consisteixen en uns dipòsits plens amb d’un líquid transparent a una temperatura just per sota del punt d’ebullició. En el moment que una partícula ionitzant entra a la cambra un pistó fa disminuir la pressió del líquid fet que suposa un sobreescalfament del líquid. Les partícules carregades creen una traça ionitzant al voltant de la qual es vaporitza el líquid tot formant una traça de bombolletes que capta una càmera fotogràfica.

Un altre detector és el format per calorímetres. Quan una partícula entra en un calorímetre col·lisiona amb el material dens del detector. El resultat de la col·lisió és una font de partícules secundàries i part de l’energia de la partícula inicial és absorbida.

Un altre tipus de detector és el Detector de Cherenkov. Aquests detectors s’aprofiten de la radiació de Cherenkov. Aquesta radiació té un origen similar a les ones de xoc produïdes en superar la barrera del so. La velocitat de la llum depèn del medi, aquesta velocitat és inferior a la que té al buit i en funció del medi ho serà més o menys. És a dir, una partícula amb massa no pot ser més veloç que la llum en el buit però sí que pot ser-ho en un altre medi. En aquests casos es produeix aquesta radiació. Això permet diferenciar les partícules lleugeres (que emetran llum) i les més pesants (que no n’emetran). Amb aquesta radiació es pot determinar la massa de la partícula a partir del seu moment lineal i la seva massa ens pot permetre identificar-la.

Pel que es fa als grans detectors de partícules dels acceleradors és disposar d’una manera determinada els diferents detectors. Per exemple, amb un sol Geiger només es pot saber si hi ha o no partícules ionitzants però si es construeix un cub amb comptadors Geiger es pot descriure la trajectòria que fan les partícules detectades ja que hauran estat detectades per més d’un aparell.
Un dels detectors del CERN, l’LHCb, està constituït per uns detectors de silici que permeten determinar les trajectòries de les partícules, també hi ha una cambra de deriva (els detectors Geiger), hi ha els detectors de llum Cherenkov que permeten diferenciar a diferents partícules a través de la seva massa, també hi ha calorímetres: un d’electromagnètic per mesurar l’energia d’electrons, positrons i fotons i un altre per hadrons que mesuren l’energia i dels hadrons (són centellejadors, metalls i fotodetectors). Les partícules que acostumen a passar tots aquests detectors solen ser els muons i els neutrins. Per a detectar els muons (que són com els electrons però més massius) es disposa d’unes capes de ferro intercalades amb capes de detectors de traces. Aquests detectors aconsegueixen detectar els muons. I finalment només queden els neutrins que acostumen a escapar-se tots i per tant es detecten indirectament. Es tracta de fer una resta entre l’energia i el moment lineal esperat i el que ha resultat.

A grans trets és així com funciona un detector de partícules del que d’aquí a poc serà l’accelerador més gran de la Terra en funcionament.

Imatge de l’LHCb

Per a seguir aprenent.