Cum detectoarele de particule captează realitatea ascunsă și frumoasă a materiei

În fiecare moment, particulele subatomice curg în număr insondabil prin corpul tău. În fiecare secundă, aproximativ 100 de miliarde de neutrini de la soare trec prin unghia mare și ești scăldat într-o ploaie de muoni, născuți în atmosfera Pământului. Chiar și bananele umile emit pozitroni, omologul antimateriei al electronului. Există un întreg univers de particule, iar noi suntem în mare parte uitați, în mare parte pentru că aceste particule sunt invizibile.

Când am aflat prima dată, în adolescență, că această lume nespusă a particulelor există, nu m-am putut opri să mă gândesc la asta. Și când m-am gândit la asta, abia puteam să respir. Eram, pentru a fura o metaforă scriitorului David Foster Wallace, un pește care tocmai a observat că înoată în apă. Revelația că ne fierbem într-o supă de particule este motivul pentru care am continuat să studiez fizica și, în cele din urmă, să scriu despre asta.

Pentru a înțelege cu adevărat materia la nivelul ei cel mai fundamental, oamenii trebuie să fie capabili să vizualizeze această lume ascunsă. Aici intervin detectoarele de particule. Ei detectează urme ale celor mai minuscule constituenți ai universului, făcând aceste concepte intangibile reale. În plus, detectoarele de particule dezvăluie frumusețea: particulele lasă în urmă spirale grațioase de bule, sclipiri de lumină și linii clare de scântei.

Renee Jones măsoară urmele de particule pe o scanare a camerei de nor
Urmele din camerele cu bule și din camerele cu nori trebuiau de obicei inspectate cu ochi. În această imagine din iunie 1984, Renee Jones, un scanner cu cameră cu bule care lucrează la Fermilab, măsoară detaliile pistelor, inclusiv lungimea și curbura.David Parker/Sursa științifică

Ca student la fizică, am petrecut ore întregi examinând aceste imagini uimitoare din manualele mele. Am continuat să construiesc detectoare de particule în școala absolventă și să-mi fac propriile imagini ale particulelor care își făceau drum prin lumea noastră.

Pe măsură ce o particulă se mișcă printr-un material, ea scapă pesmeturi care îi pot da drumul. Acele pesmet de pâine vin sub o varietate de forme: lumină, căldură sau încărcare electrică. „Practic, fiecare detector de particule care există caută unul sau mai multe dintre aceste trei lucruri”, spune fizicianul de particule Jennifer Raaf de la Fermilab din Batavia, Illinois. Detectoarele de particule traduc firimiturile în semnale care pot fi înregistrate și analizate. Astfel de semnale au ajutat la dezvăluirea fizicii modelului standard, o realizare supremă a științei care descrie particulele și forțele naturii. De asemenea, este posibil să fie cheie în descoperirea fizicii dincolo de modelul standard.

Pe măsură ce timpul a trecut, tehnologiile de detectare a particulelor s-au îmbunătățit considerabil. Iată câteva tipuri de detectoare care au făcut vizibil invizibilul.

Printr-un nor

Unul dintre primele moduri în care oamenii de știință au vizualizat urmele de particule a fost cu camerele cu nori. Dezvoltate în urmă cu mai bine de un secol, camerele cu nori sunt umplute cu un gaz – adesea vapori de alcool – pe punctul de a se condensa în lichid. Când o particulă încărcată trece prin cameră, ea elimină electronii din aerul din interior, creând o sarcină electrică care inițiază condensarea. O linie firave se formează de-a lungul traseului particulei, ca o contrailă în miniatură.

imagine alb-negru a urmei particulelor de pozitroni
O urmă de particule într-o cameră cu nori la începutul anilor 1930 a fost prima dovadă a unui pozitron, o particulă încărcată pozitiv cu masa unui electron. Pista este curbată din cauza unui câmp magnetic care a înconjurat camera.CD Anderson, prin amabilitatea lui Emilio Segrè Visual Archives

Oamenii de știință înconjoară adesea camerele cu nori și alte detectoare cu un câmp magnetic puternic, care îndoaie calea particulelor în curbe sau spirale. Particulele încărcate negativ se curbează într-o direcție, particulele pozitive merg pe sens invers. Alte detalii caracterizează în continuare particula: cantitatea de curbură indică impulsul unei particule, de exemplu.

Camerele de nori au scos la iveală o varietate de particule necunoscute anterior, inclusiv pozitronul și muonul, un văr greu al electronului, în anii 1930. Aceste particule au fost în mare parte neașteptate. La acea vreme, fizicienii abia se înțeleg cu faptul că există particule, în afară de electroni și protoni.

Camerele cu nori sunt suficient de simple încât să poți face una în propria ta casă, folosind alcool și gheață carbonică.

imagine alb-negru a lui Clifford Butler și a unui alt om de știință care lucrează într-un laborator
În această imagine din 1948, fizicianul Clifford Butler (în centru) ajustează instrumentele de pe o cameră cu nori menită să urmărească particulele în raze cosmice. Aceste ploaie de particule sunt produse atunci când o particulă de înaltă energie din spațiu intră în atmosfera Pământului.Fotografie/Arhiva Hulton/Getty Images

Trasee cu bule

Anii 1950 au fost totul despre camere cu bule.

Când particulele încărcate trec prin lichid într-o cameră cu bule, ele lasă bule de vapori minuscule, ca niște sfere irizate care trag o baghetă cu bule de săpun. Deși camerele sunt de obicei umplute cu hidrogen lichid, pot fi utilizate o varietate de lichide; un prototip timpuriu a folosit chiar bere. Camerele cu bule ar putea fi făcute mai mari decât camerele cu nori și au produs urme mai ascuțite, făcând posibilă observarea mai multor particule mai detaliat.

imagine alb-negru a unei piste de particule kaon
O particulă subatomică numită kaon se descompune în alte particule care lasă spirale distincte în această imagine a camerei cu bule din anii 1970.CERN

În același deceniu, acceleratorii de particule au ieșit în prim-plan. Acești acceleratori produc fascicule energetice de particule pe care oamenii de știință le pot izbi în alte particule sau în ținte. Aceste ciocniri provoacă o serie de noi particule. Oamenii de știință au trimis acele grinzi în camere cu bule pentru a urmări ce s-a întâmplat.

imagine alb-negru a Marii Camere cu bule europene
Marea cameră europeană cu bule, fotografiată în timpul instalării navei, a început la CERN lângă Geneva în 1973.CERN

Imaginile rezultate nu au fost doar iluminatoare din punct de vedere științific, ci au fost uimitoare: dacă Raaf avea de gând să-și facă un tatuaj, spune ea, ar putea fi o imagine cu o cameră cu bule. Până acum am rezistat tentației de a obține cerneală.

Trecerea digitală

Camerele cu nori și camerele cu bule aveau un dezavantaj. Urmele erau de obicei înregistrate cu fotografii și fiecare trebuia să fie inspectată cu ochii pentru orice lucru de interes. Procesul a fost prea lent; i-a împiedicat pe fizicieni să descopere particulele care ar putea apărea în doar una sau două din nenumăratele fotografii, dacă asta. Pentru a găsi cele mai rare particule, „nu poți să te uiți la imagini. Vrei să ai acele informații digitizate într-un mod inteligent”, spune Sam Zeller, un fizician al particulelor la Fermilab.

imagine a urmelor de noi particule produse după ciocnirea unui proton și antiproton
În detectorul UA1 de la CERN de lângă Geneva, firele de înaltă tensiune au înregistrat sarcina electrică produsă atunci când particulele care intrau au dislocat electronii din atomi într-o cameră plină cu gaz. Pe acest afișaj al computerului, un proton și un antiproton s-au ciocnit și s-au anihilat, producând noi particule care au trasat căile prin detector.Peter IP Kalmus, UA1 Experiment/Sursă științifică

Intrați în camera proporțională cu mai multe fire. Inventată în 1968, această tehnologie se bazează pe o gamă fină de fire de înaltă tensiune, care înregistrează sarcina produsă atunci când particulele care intră disloca electronii din atomi într-o cameră plină cu gaz. Această tehnică ar putea capta milioane de urme de particule pe secundă, mult mai mult decât ar putea realiza camerele cu bule. Și datele au ajuns direct la un computer pentru analiză. Camerele proporționale cu mai multe fire și descendenții lor au revoluționat fizica particulelor și au condus la descoperiri de particule precum cuarcul farmec și gluonul în anii 1970 și bosonii W și Z în anii 1980.

imaginea detectorului UA1 al CERN
Detectorul UA1 al CERN a fost activ din 1981 până în 1990; cele mai notabile descoperiri ale sale au fost bosonii W și Z, împreună cu experimentul UA2. Această imagine arată o secțiune a experimentului, înșirate cu multe fire fine, expusă la muzeul CERN.Mark Williamson/Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Unele dintre cele mai avansate detectoare moderne își urmăresc descendența la camere proporționale cu mai multe fire, cum ar fi camerele de proiecție în timp cu argon lichid. Acești detectoare sunt de înaltă rezoluție, ceea ce înseamnă că cercetătorii pot mări detaliile unei interacțiuni și o pot vizualiza în 3-D. Camerele de proiecție a timpului cu argon lichid vor fi cheia unuia dintre cele mai mari experimente viitoare de fizică a particulelor din Statele Unite, Experimentul cu neutrino subteran adânc din Dakota de Sud. Deoarece neutrinii interacționează foarte rar cu materia, experimentul necesită tehnici de detectare atât de avansate.

Strălucește o lumină

Oamenii de știință au conceput și metode de detectare a particulelor prin intermediul luminii. Când o particulă se mișcă peste o anumită limită de viteză pentru un anumit material, emite lumină, cunoscută sub numele de lumină Cherenkov. Este analog cu un avion care trece de bariera vitezei sunetului și creează un boom sonic. De asemenea, particulele încărcate pot emite lumină atunci când trec prin materiale împletite cu anumite substanțe chimice, numite scintilatoare.

imaginea datelor despre neutrini din experimentul NOvA
Experimentul NOvA de la Fermilab folosește tuburi de scintilator lichid pentru a identifica neutrinii care interacționează în interiorul detectorului. În această imagine a datelor de la detector, un neutrin, care intră din stânga, produce un jet de particule încărcate. Neutrinul nu este vizibil, din cauza lipsei de sarcină electrică.NOvA/Fermilab

Pentru a identifica cantitățile mici de lumină lăsate în urmă de particulele individuale, oamenii de știință folosesc tuburi fotomultiplicatoare, inventate inițial în anii 1930, care convertesc lumina în semnale electrice. Aceste tuburi ar putea fi folosite pentru a capta fie lumina Cherenkov, fie lumina scintilatorului.

Detectoarele cu scintilatoare au început să-și dovedească valoarea în 1956, când un rezervor de scintilator lichid a fost folosit pentru a descoperi neutrinul – cândva se credea a fi complet nedetectabil. Detectoarele cu scintilatoare lichide sunt încă obișnuite – utilizate în experimentul cu neutrini NOvA de la Fermilab, de exemplu – la fel ca și detectoarele realizate din benzi solide de plastic cu scintilator amestecat.

imaginea unui detector din experimentul cu neutrini NOvA
Experimentul cu neutrini NOvA de la Fermilab folosește două detectoare, acesta situat în Minnesota, alcătuit din sute de mii de tuburi din PVC umplute cu scintilator lichid.Justinvasel/Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Punând totul împreună

Detectoarele moderne de la principalele ciocnitoare de particule din lume, cum ar fi detectoarele de la Large Hadron Collider de la CERN, lângă Geneva, aruncă puțin din toate. „Este această ceapă de diferite tipuri de detectoare; fiecare strat este un lucru diferit”, spune Raaf.

imaginea unui detector din experimentul CMS
Detectoarele moderne de la ciocnitoarele de particule, cum ar fi experimentul CMS (prezentat) de la CERN, includ o varietate de tehnologii pentru a identifica pulverizarea particulelor de la coliziunile de mare energie.Maximilien Brice/CERN

Având mai multe etaje, aceste mașini masive includ o gamă largă de tehnologii – detectoare cu scintilatoare din plastic, detectoare Cherenkov, descendenți ai camerelor proporționale cu mai multe fire. De asemenea, acestea includ de obicei detectoare fabricate din siliciu care pot măsura cu precizie urmele de particule pe baza curenților electrici mici produși atunci când particulele trec. Acești detectoare funcționează împreună într-un magnet foarte puternic. După ce particulele se ciocnesc în centrul detectorului, computerele analizează datele din toate părțile și reconstruiesc ceea ce s-a întâmplat în coliziune, urmărind căile pe care le-au urmat particulele.

Indiferent de tehnică, hieroglifele subatomice fascinante le permit fizicienilor să descifreze limba maternă a materiei, dezvăluind constituenții ei și forțele prin care acestea comunică. „Este destul de uimitor că poți vedea invizibilul”, spune Zeller.

vizualizarea pe computer a datelor din experimentul CMS
Această vizualizare computerizată a datelor din experimentul CMS de la CERN, lângă Geneva, arată rezultatele unei coliziuni a doi protoni. Evenimentul poate arăta un boson Higgs care se transformă în doi fotoni, particule de lumină. Liniile galbene sunt urme de particule, iar casetele verzi și albastre se referă la energiile particulelor.Thomas McCauley, CMS/CERN