Sledi kozmičnih nabitih delcev

Peter Križan (FMF UL in IJS), 2.3.2017

Pri trkih elektronov in pozitronov bodo v  pospeševalniku SuperKEKB nastajali pari mezonov B, ki bodo zelo hitro, v eni trilijoninki sekunde razpadli v lažje in bolj obstojne delce. Te bomo nato zaznali v detektorju Belle II., podobno kot smo jih zaznavali v predhodniku, detektorju Belle (glej spodnjo sliko).

Sledi nabitih delcev, produktov trka elektrona in pozitrona v spektrometru Belle

Detektor sledi nabitih delcev je drift komora, posebne vrste plinske žične komore, polnjena z mešanico helija in etana z deset tisoč kot las tankih žičk, na katerih je visoka električna napetost. Nabit delec, ki potuje skozi plin, ionizira molekule plina, elektroni, ki se pri tem sprostijo, potujejo v električnem polju  proti žički. V bližini žičke pride do pomnoževanja, vsak elektron v velikem električnem polju še sam ionizira molekule in tako povzroči verižno reakcijo. Nastale električne signale (krogci na zgornji sliki) nato ojačimo in pospravimo v računalnik, kjer jih nato uporabimo za rekonstrukcijo reakcije.

Vsako žičko posebej je potrebno potegniti skozi 3 m dolgo komoro, pravilno napeti, zatesniti in električno povezati. Prostor, v katerem to počnemo – t.i. čista soba, mora biti brez prahu, zato se pri delu sestavljalci oblečejo v zaščitna oblačila.

Nameščanje drift komore, ki drsi po kovinskem nosilcu

Detektor smo nato oktobra iz čiste sobe prepeljali do spektrometra Belle II, ga v zahtevnem manevru obesili na močan kovinski nosilec, po njem pa je nato prav počasi zdrsnil v tesno prilagajočo se lupino. Detektor smo nato opremili s čitalno elektroniko in vsako žičko priključili nanj.  Rezultat prikazuje spodnja slika.

Drift komora po tem, ko smo vse žičke povezali s pripadajočo čitalno elektroniko (levo), končna oblika z zaščitnim pokrovom (desno).

Seveda pa je tak detektor potrebno temeljito preizkusiti, preden začnemo s trki na pospeševalniku. Prepričati se je namreč potrebno, da detektor deluje po pričakovanjih, in popraviti morebitne napake, kar je bistveno bolj zapleteno, ko pospeševalnik že obratuje. Ker pa brez pospeševalnika ni trkov, si moramo pomagati drugače.

Na pomoč nam priskočijo vesoljski pospeševalniki, ki delujejo noč in dan. V živahnih delih vesolja, na primer v okolicah supernov ali v aktivnih galaktičnih jedrih, se nabiti delci, predvsem protoni, pospešijo do izredno visokih energij. Ti tako imenovani kozmični delci priletijo do zemeljske atmosfere. Pri trkih z jedri atomov v zraku povzročijo nastanek velikega števila novih delcev. Do zemeljskega površja pridejo v glavnem samo mioni, delci, ki so podobni elektronu, le da so dvestokrat bolj masivni. Mioni nato priletijo v detektor, kjer pustijo sled, kot kaže spodnja slika.  

Sledi kozmičnih delcev v drift komori Belle II.

Sledi, ki jih v detektorju pustijo kozmični delci, so dragoceno sredstvo za testiranje vsakega detektorja v fiziki osnovnih delcev. V drift komori za Belle II jih uporabimo, da ugotovimo, ali smo z detektorjem sploh uspeli najti sled, ali smo našli signal na vsaki žički v bližini sledi, pa tudi ali se zgornji del sledi na levi sliki ujema s spodnjim delom sledi, ko ju ekstrapoliramo proti sredini detektorja.

Začelo pa se je seveda z velikim veseljem, ko smo slike teh dogodkov pred tedni sploh uspeli zaznati in pogledati na računalniku! Zdaj pa na delo!

Ostali blogi iz te serije: seznam je tukaj

Blog 'Na lovu za osnovnimi delci' – Znanost na cesti