Детекторы частиц

    Информативность любого субатомного опыта напрямую определяется возможностями тех детекторов, которые в нем используются. История ядерной физики и физики частиц это, по существу, история создания все новых методов регистрации частиц и совершенствования старых. Создание новых методов детектирования частиц неоднократно отмечалось Нобелевскими премиями. В настоящее время в арсенале физиков имеется большое число отдельных детекторов и установок, являющихся комбинацией различных детекторов. Они представляют собой образцы современных технических возможностей и, подчас, самыми совершенными устройствами, которые созданы человеком.
    Детекторы служат как для регистрации частиц, так и для определения их энергии, импульса, траектории движения частицы и других характеристик. Для регистрации частиц часто используют детекторы, которые максимально чувствительны к регистрации определенной частицы и не чувствуют большой фон создаваемый другими частицами.
    Часто в экспериментах приходится выделять 'нужные' события на гигантском фоне 'посторонних' событий, которых может быть в миллиарды раз больше. Для этого используют различные комбинации счетчиков и методов регистрации, применяют схемы совпадений или антисовпадений между событиями, зарегистрированными различными детекторами, отбор событий по амплитуде и форме сигналов и т. д. Часто используется селекция частиц по времени пролета ими определенного расстояния между детекторами, магнитный анализ и другие методы, которые позволяют надежно выделить различные частицы.
    Число детекторов различного типа велико и нет возможности в этом разделе детально их описать. В то же время читатель должен иметь представление о многообразии способов наблюдения частиц. Поэтому дадим лишь беглый и краткий обзор используемых детекторов с упором на принципы их действия и характеристики. Мы почти не будем касаться технических подробностей, хотя они зачастую представляют не меньший интерес и определяют возможности детектора. Мы также не будем описывать электронику, обрабатывающую сигналы, поступающие с детектора, и особенности использования ЭВМ в этом процессе.
    Один из наиболее общих принципов регистрации частицы состоит в следующем. Заряженная частица, двигаясь в нейтральной среде детектора (газ, жидкость, твердое тело, аморфное или кристаллическое), вызывает за счет электромагнитных взаимодействий ионизацию и возбуждение атомов среды. Таким образом, вдоль пути движения частицы появляются свободные заряды (электроны и ионы) и возбужденные атомы. Если среда находится в электрическом поле, то в ней возникает электрический ток, который фиксируется в виде короткого электрического импульса (условно детекторы, использующие этот принцип, будем называть ионизационными).
При возвращении возбужденных атомов в основное (невозбужденное) состояние излучаются фотоны, которые могут быть зарегистрированы в виде оптической вспышки в видимой или ультрафиолетовой области. Этот принцип используется в сцинтилляционных детекторах.
    При определенных условиях траекторию пролетающей заряженной частицы, можно сделать видимой. Это осуществляется в так называемых трековых детекторах.
Нейтральные частицы (такие как нейтрон или Λ-гиперон) непосредственно не вызывают ионизацию и возбуждение атомов среды. Однако они могут быть зарегистрированы в результате появления вторичных заряженных частиц, возникших либо в реакциях этих нейтральных частиц с ядрами среды, либо в результате распада этих частиц. Гамма-кванты также регистрируются по вторичным заряженным частицам - электронам и позитронам, возникающим в среде вследствие фотоэффекта, Комптон-эффекта и рождения электрон-позитронных пар.
    Нейтрино, возникшее в результате реакции, в силу исключительно малого сечения взаимодействия со средой  (10^-20 барн) в большинстве случаев вообще не регистрируется детектором. Тем не менее, факт его появления может быть установлен. Дело в том, что ускользнувшее от непосредственного наблюдения нейтрино уносит с собой определенную энергию, импульс, спин, лептонный заряд. Недостачу обнаруживают, регистрируя все остальные частицы и применяя к ним законы сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда, лептонного заряда и др. Такой анализ позволяет не только убедиться, в том нейтрино действительно было, но и установить его энергию и направление вылета из точки реакции.
    Быстрораспадающиеся частицы детектор 'не успевает' зафиксировать. В этом случае они регистрируются по продуктам распада.
    Общие требования к детектирующей аппаратуре сводятся к определению типа частицы (идентификации) и ее кинематических характеристик (энергии, импульса и др.). Часто тип частицы известен заранее и задача упрощается. Во многих экспериментах, особенно в физике высоких энергий, используются крупногабаритные и сложные комплексы, состоящие из большого числа детекторов различного типа. Такие комплексы, фиксируя практически все частицы, возникающие в эксперименте, дают достаточно полное представление об изучаемом явлении.
    Основными характеристиками детектора являются - эффективность (вероятность регистрации частицы при попадании ее в детектор), временнoе разрешение (минимальное время, в течение которого детектор фиксирует две частицы как отдельные) и мертвое время или время восстановления (время, в течение которого детектор после регистрации частицы либо вообще теряет способность к регистрации следующей частицы, либо существенно ухудшает свои характеристики). Если детектор определяет энергию частицы и (или) ее координаты, то он характеризуется также энергетическим разрешением (точностью определения энергии частицы) и пространственным разрешением (точностью определения координаты частицы).