Что фиксирует пузырьковая камера

Фотография на память: Пузырьковая камера

Прослужив науке почти 30 лет, камеры уступили место электронным детекторам, которые могут регистрировать гораздо больше событий с гораздо большей энергией и с большей точностью. Но все столкновения и превращения частиц, детектируемые современными электронными методами, надежно спрятаны в толще сотен полупроводниковых элементов, калориметров, счетчиков и предстают перед нами уже в виртуальном виде, пересчитанные, отобранные по заранее смоделированным схемам. Так в нашей обычной жизни компьютерная анимация приходит на смену фильмам с настоящими артистами. И хотя экспериментальные методы достигли сегодня фантастических высот, студентам и школьникам преподаватели рассказывают про удивительный мир частиц по фотографиям, полученным десятки лет назад с помощью устройств, о которых мы как раз и собираемся рассказать.

От капелек к пузырькам

Основными средствами детектирования заряженных частиц к середине XX века были ядерные эмульсии и камеры Вильсона. В ядерных эмульсиях при пролете частицы происходила химическая реакция, а в камере Вильсона, работавшей при давлении в 300 атмосфер, перенасыщенный пар конденсировался в жидкость.

К тому времени было уже открыто множество частиц: электроны, позитроны, протоны, нейтроны, мюоны в космических лучах, пи-мезоны. Но попадались и такие загадочные экземпляры, которые никак не удавалось исследовать с помощью имеющихся детекторов. Чтобы с ними разобраться, экспериментаторам нужны были новые методы регистрации частиц.

В 1950 году поисками новых способов детектирования занялся в Мичиганском университете Дональд Глейзер. Требования к детектору были следующие. Он должен был срабатывать и возвращаться в исходное состояние за несколько секунд, поскольку в то время уже готовился к запуску новый ускоритель, способный выдавать пучки протонов с такими короткими интервалами. Более того, в течение этих секунд изменения, вызванные пролетающими частицами, должны были становиться настолько заметными, чтобы их можно было запечатлеть на фотографии, и все это при разумных температурах и давлениях. Глейзер перебрал множество вариантов, связанных с химическими и электрическими превращениями, жидкими и твердыми телами, и остановил свой выбор на перегретой жидкости.

Перегретая жидкость

Сделаем небольшое отступление и вкратце расскажем о физическом явлении перегрева, на котором основан принцип действия пузырьковой камеры и предшествовавшей ей камеры Вильсона. Известно, что вода, например, кипит в обычных условиях при температуре 1000С. Но те, кто когда-нибудь поднимался высоко в горы, где давление меньше, чем на уровне моря, подтвердят, что там для закипания воды вполне достаточно и 900С. А вот при повышении давления температура кипения, наоборот, увеличивается. Но самое интересное — то, что если жидкость, нагретую при высоком давлении, вдруг вернуть в обычные условия (снизить давление при помощи поршня), она закипит не сразу, а будет некоторое время пребывать в неустойчивом состоянии, пока ее не потревожат. Такая жидкость и называется перегретой. Нарушить ее неустойчивое равновесие может заряженная частица. При движении частицы, в жидкости образуются ионы, вокруг которых появляются пузырьки, и начинается кипение.

Начало пузырьковой эпохи

Но вернемся снова к Глейзеру. Для первых своих экспериментов он выбрал диэтиловый эфир, который был сравнительно дешев и легко выделялся в чистом виде, а при работе с ним не требовалось никаких сверхъестественных температур и давлений. Проведя собственные расчеты, Глейзер, тем не менее, решил поискать данные в научной литературе и в одном из ведущих журналов физической химии за 1924 год нашел-таки интересную статью об экспериментах с диэтиловым эфиром. Главный изложенный там экспериментальный факт был следующим: перегретый до температуры 1400С диэтиловый эфир при обычном давлении в одну атмосферу самопроизвольно закипал через случайные промежутки времени. И тут следует отдать должное настойчивости и интуиции Глейзера. Он проанализировал приведенную табличку с этими случайными интервалами и выяснил, что в среднем время, через которое происходит закипание, составляет 60 с. Дальше он взял известные данные о космическом и радиоактивном фоне, учел описанную авторами конструкцию емкости с эфиром и вычислил, что через нее в среднем каждые 60 с должна пролетать одна частица!

Похоже, он был на правильном пути. Первое устройство, сделанное Глейзером, состояло из двух соединенных между собой трубочек, наполненных жидким и газообразным диэтиловым эфиром. Они имели длину 10 см и внутренний диаметр 3 мм. Сначала обе трубочки нагревались до 1600С и 1400С, а затем более нагретая охлаждалась до комнатной температуры. Во второй трубке при этом образовывалось перегретое состояние, и как только к ней подносили источник радиоактивного излучения (Глейзер использовал радиоактивный кобальт), диэтиловый эфир закипал. Итак, сама возможность детектирования с помощью перегретой жидкости была доказана, но оставался другой, не менее важный вопрос — можно ли таким способом получать точные следы частиц?

Чтобы это показать, Глейзер приготовил несколько маленьких камер из тугоплавкого борного стекла (пирекса), наполненных несколькими кубическими сантиметрами диэтилового эфира. Высокая температура поддерживалась с помощью масляной ванны, а для сброса давления вручную использовалась специальная рукоятка. Одновременно с открытием рукоятки включалась кинокамера и со скоростью 3000 кадров в секунду снимала все, что происходило в сосудах. Затем процесс снятия давления и последующего сжатия был автоматизирован и синхронизован с кинокамерой и счетчиком Гейгера, который сообщал о появлении частицы. Фильм получился захватывающий. Пузырьки, образовавшиеся при пролете заряженной частицы, вырастали до 1 мм за 300 мкс. Во многих случаях следы частиц были отчетливо видны, и стало ясно, что прибор вполне пригоден для измерений.

В 1955 году в Брукхейвене в США 15-сантиметровая пузырьковая камера, наполненная пропаном, была впервые использована в эксперименте на ускорителе. А уже на следующий год другую камеру, в два раза большего размера, диаметром 30 см, поместили в магнитное поле и получили 60 тыс. стереоснимков с изображениями следов частиц. На них теперь можно было различить положительные и отрицательные частицы, так как они под действием магнитного поля отклоняются в разные стороны, и по кривизне траектории вычислить их скорость. Так началась эра пузырьковых камер, а в 1960 году Дональд Глейзер получил за свое изобретение Нобелевскую премию по физике.

Чудо инженерной мысли

Устройство, называемое пузырьковой камерой, представляет собой сосуд с окошками, наполненный прозрачной жидкостью под давлением в несколько атмосфер и помещенный в магнитное поле. Если рабочая жидкость кипит при очень низкой температуре, как, например, водород, все это еще помещается в криостат и охлаждается. Перед вбросом частиц из ускорителя происходит расширение рабочего объема с помощью специального поршня, давление понижается и образуется перегретая жидкость. Некоторые частицы пролетают насквозь, некоторые взаимодействуют с веществом камеры, но при этом все, имеющие заряд, оставляют за собой следы в виде пузырьков закипающей жидкости. Все это происходит за сотые доли микросекунды. Через несколько миллисекунд пузырьки вырастают до видимых размеров, для освещения включается импульсная лампа, и несколько фотокамер (обычно их три) одновременно фотографируют рабочий объем камеры. Они жестко закреплены в разных местах одного и того же окна, а значит, позволяют получить стереоизображение. Когда снимки сделаны, давление снова увеличивают, пузырьки исчезают, и камера вновь готова к измерениям. Весь цикл занимает несколько десятков миллисекунд.

Но сами по себе фотографии — еще полдела. Дальше начинается процесс анализа траекторий и идентификации частиц. И если накопление снимков при совместной работе пузырьковой камеры и ускорителя может длиться несколько дней или недель, то обработка полученной информации может занять месяцы, а то и годы. Непосвященному человеку покажется, что на фотографиях с пузырьковой камеры отпечатаны ничего не значащие закорючки и росчерки. Но для физика это кладезь информации. Тугие спирали соответствуют электронам (или позитронам, если закручены в другую сторону). Так называемые «вилки» означают, что в этом месте влетевшая частица столкнулась с ядром вещества, заполняющего камеру, и в результате образовались еще какие-то частицы. А если вилка начинается «ниоткуда» — значит, распалась какая-то нейтральная частица.

Если все траектории (или треки) тщательно измерить на всех трех одновременно сделанных снимках, то можно восстановить пространственную картину события и вычислить характеристики всех участвовавших в нем частиц. Сначала этим вручную занимались сами физики, но потом, когда счет пошел на сотни тысяч кадров, положение спасли появившиеся к тому времени компьютеры и полуавтоматические сканирующие устройства. Без них справиться с такой горой информации было бы просто невозможно. Общее число стереоснимков, полученных в экспериментах на пузырьковых камерах, превышает 100 млн!

Последние из могикан

За 30 лет в мире было построено чуть больше сотни пузырьковых камер, позволивших разглядеть целую плеяду новых частиц, предсказанных теорией, и подтвердить существование «очарованного» кварка. Какие только жидкости (вернее, сжиженные газы) в них не использовались: водород, дейтерий, пропан, ксенон, неон, фреон и даже гелий. Рабочие температуры тоже были разнообразны: от сверхнизкой для гелия или водорода до почти комнатной для ксенона, пропана или фреона. Начав с небольших размеров, в несколько десятков сантиметров, камеры в итоге приобрели поистине гигантские масштабы. Последняя пузырьковая камера в Европейском центре ядерных исследований была построена к 1971 году и называлась «Гаргамель». Это был цилиндр диаметром 1,85 м и длиной 4,85 м, наполненный 18 т фреона. Именно с ней связано последнее достижение камерной эпохи — открытие необычных взаимодействий элементарных частиц, названных нейтральными токами. В том же году в США была изготовлена и самая большая в мире пузырьковая камера почти сферической формы диаметром 4,5 м для работы с жидким водородом и дейтерием. Но никакие инженерные достижения уже не могли принципиально изменить ситуацию: эти детекторы не могли работать с новыми ускорителями, которые выдавали пучки частиц с огромной энергией и интенсивностью. Эпоха пузырьковых камер подходила к концу.

Новое — не до конца забытое старое

Но фотографии с пузырьковых камер еще рано списывать в архив иллюстраций. Не далее как в 2002 году две экспериментальные группы (одна, работающая на синхротроне Spring-8 в Японии, а другая из Института теоретической и экспериментальной физики в Москве) почти одновременно сообщили об обнаружении новых частиц, названных пентакварками. Российские ученые наткнулись на это явление при анализе своих экспериментальных данных, полученных много лет назад на ксеноновой пузырьковой камере «Диана»! Может, среди 100 млн снимков обнаружится и еще что-нибудь интересное?

Источник

Что фиксирует пузырьковая камера

В 50-е годы XX века в физике простых частиц наступила эпоха пузырьковых камер. Она подарила неслыханное до той поры чувство действительности микромира, позволив практически рассматривать оставленные частичками следы.

Прослужив науке практически 30 лет, камеры уступили место электрическим сенсорам, которые могут регистрировать еще больше событий с еще большей энергией и с большей точностью. Но все столкновения и перевоплощения частиц, детектируемые современными электрическими способами, накрепко спрятаны в толще сотен полупроводниковых частей, калориметров, счетчиков и стают пред нами уже в виртуальном виде, пересчитанные, отобранные по заблаговременно смоделированным схемам. Так в нашей обыкновенной жизни компьютерная анимация приходит на замену фильмам с реальными артистами. И хотя экспериментальные способы достигнули сейчас умопомрачительных высот, студентам и школьникам педагоги говорят про умопомрачительный мир частиц по фотографиям, приобретенным 10-ки годов назад при помощи устройств, о которых мы как раз и собираемся поведать.

От капелек к пузырькам

Основными средствами детектирования заряженных частиц к середине XX века были ядерные эмульсии и камеры Вильсона. В ядерных эмульсиях при просвете частички происходила хим реакция, а в камере Вильсона, работавшей при давлении в 300 атмосфер, сверхнасыщенный пар конденсировался в жидкость.

К тому времени было уже открыто огромное количество частиц: электроны, позитроны, протоны, нейтроны, мюоны в галлактических лучах, пи-мезоны. Но попадались и такие таинственные экземпляры, которые никак не удавалось изучить при помощи имеющихся сенсоров. Чтоб с ними разобраться, экспериментаторам необходимы были новые способы регистрации частиц.

В 1950 году поисками новых методов детектирования занялся в Мичиганском институте Дональд Глейзер. Требования к сенсору были последующие. Он был должен срабатывать и ворачиваться в начальное состояние за несколько секунд, так как в то время уже готовился к запуску новый ускоритель, способный выдавать пучки протонов с такими маленькими интервалами. Более того, в течение этих секунд конфигурации, вызванные пролетающими частичками, должны были становиться так видными, чтоб их можно было запечатлеть на фото, и все это при разумных температурах и давлениях. Глейзер перебрал огромное количество вариантов, связанных с хим и электронными превращениями, водянистыми и жесткими телами, и приостановил собственный выбор на перегретой воды.

Создадим маленькое отступление и кратко поведаем о физическом явлении перегрева, на котором основан принцип деяния пузырьковой камеры и предшествовавшей ей камеры Вильсона. Понятно, что вода, к примеру, бурлит в обыденных критериях при температуре 1000С. Но те, кто когда-нибудь подымался высоко в горы, где давление меньше, чем на уровне моря, подтвердят, что там для закипания воды полностью довольно и 900С. А вот при повышении давления температура кипения, напротив, возрастает. Но самое увлекательное – то, что если жидкость, подогретую при высочайшем давлении, вдруг возвратить в обыденные условия (понизить давление с помощью поршня), она закипит не сходу, а будет некое время пребывать в неуравновешенном состоянии, пока ее не потревожат. Такая жидкость и именуется перегретой. Нарушить ее неустойчивое равновесие может заряженная частичка. При движении частички, в воды образуются ионы, вокруг которых возникают пузырьки, и начинается кипение.

Начало пузырьковой эры

Но вернемся опять к Глейзеру. Для первых собственных тестов он избрал диэтиловый эфир, который был сравнимо дешев и просто выделялся в чистом виде, а при работе с ним не требовалось никаких сверхъестественных температур и давлений. Проведя собственные расчеты, Глейзер, все же, решил выискать данные в научной литературе и в одном из ведущих журналов физической химии за 1924 год нашел-таки увлекательную статью об опытах с диэтиловым эфиром. Главный изложенный там экспериментальный факт был последующим: перегретый до температуры 1400С диэтиловый эфир при обыкновенном давлении в одну атмосферу самопроизвольно закипал через случайные промежутки времени. И здесь следует дать подабающее напористости и интуиции Глейзера. Он проанализировал приведенную табличку с этими случайными интервалами и узнал, что в среднем время, через которое происходит закипание, составляет 60 с. Далее он взял известные данные о галлактическом и радиоактивном фоне, учел описанную создателями конструкцию емкости с эфиром и вычислил, что через нее в среднем каждые 60 с должна пролетать одна частичка!

Похоже, он был на правильном пути. 1-ое устройство, изготовленное Глейзером, состояло из 2-ух соединенных меж собой трубочек, заполненных водянистым и газообразным диэтиловым эфиром. Они имели длину 10 см и внутренний поперечник 3 мм. Поначалу обе трубочки нагревались до 1600С и 1400С, а потом более подогретая охлаждалась до комнатной температуры. Во 2-ой трубке при всем этом создавалось перегретое состояние, и как к ней подносили источник радиоактивного излучения (Глейзер использовал радиоактивный кобальт), диэтиловый эфир закипал. Итак, сама возможность детектирования при помощи перегретой воды была подтверждена, но оставался другой, более принципиальный вопрос – можно ли таким методом получать четкие следы частиц?

Чтоб это показать, Глейзер приготовил несколько малеханьких камер из тугоплавкого борного стекла (пирекса), заполненных несколькими кубическими сантиметрами диэтилового эфира. Высочайшая температура поддерживалась при помощи масляной ванны, а для сброса давления вручную использовалась особая ручка. Сразу с открытием ручки врубалась кинокамера и со скоростью 3000 кадров за секунду снимала все, что происходило в сосудах. Потом процесс снятия давления и следующего сжатия был автоматизирован и синхронизован с кинокамерой и счетчиком Гейгера, который докладывал о возникновении частички. Кинофильм вышел захватывающий. Пузырьки, образовавшиеся при просвете заряженной частички, вырастали до 1 мм за 300 мкс. В почти всех случаях следы частиц были ясно видны, и стало ясно, что прибор полностью подходящ для измерений.

В 1955 году в Брукхейвене в США 15-сантиметровая пузырьковая камера, заполненная пропаном, была в первый раз применена в опыте на ускорителе. А уже на последующий год другую камеру, вдвое большего размера, поперечником 30 см, расположили в магнитное поле и получили 60 тыс. стереоснимков с изображениями следов частиц. На их сейчас можно было различить положительные и отрицательные частички, потому что они под действием магнитного поля отклоняются в различные стороны, и по кривизне линии движения вычислить их скорость. Так началась эпоха пузырьковых камер, а в 1960 году Дональд Глейзер получил за свое изобретение Нобелевскую премию по физике.

Волшебство инженерной мысли

Устройство, называемое пузырьковой камерой, представляет собой сосуд с окошками, заполненный прозрачной жидкостью под давлением в несколько атмосфер и помещенный в магнитное поле. Если рабочая жидкость бурлит при очень низкой температуре, как, к примеру, водород, все это еще помещается в криостат и охлаждается. Перед вбросом частиц из ускорителя происходит расширение рабочего объема при помощи специального поршня, давление снижается и появляется перегретая жидкость. Некие частички пролетают насквозь, некие ведут взаимодействие с веществом камеры, но при всем этом все, имеющие заряд, оставляют за собой следы в виде пузырьков закипающей воды. Все это происходит за сотые толики микросекунды. Через несколько миллисекунд пузырьки растут до видимых размеров, для освещения врубается импульсная лампа, и несколько камер (обычно их три) сразу фотографируют рабочий объем камеры. Они агрессивно закреплены в различных местах 1-го и такого же окна, а означает, позволяют получить стереоизображение. Когда снимки изготовлены, давление опять наращивают, пузырьки исчезают, и камера вновь готова к измерениям. Весь цикл занимает несколько 10-ов миллисекунд.

Но сами по для себя фото – еще полдела. Далее начинается процесс анализа траекторий и идентификации частиц. И если скопление снимков при совместной работе пузырьковой камеры и ускорителя может продолжаться некоторое количество дней либо недель, то обработка приобретенной инфы может занять месяцы, а то и годы. Непосвященному человеку покажется, что на фото с пузырьковой камеры отпечатаны ничего не значащие завитушки и росчерки. Но для физика это кладезь инфы. Тугие спирали соответствуют электронам (либо позитронам, если завернуты в другую сторону). Так именуемые «вилки» означают, что в этом месте влетевшая частичка столкнулась с ядром вещества, заполняющего камеру, и в итоге образовались еще какие-то частички. А если вилка начинается «ниоткуда» – означает, распалась какая-то нейтральная частичка.

Если все линии движения (либо треки) кропотливо измерить на всех 3-х сразу изготовленных снимках, то можно вернуть пространственную картину действия и вычислить свойства всех участвовавших в нем частиц. Поначалу этим вручную занимались сами физики, но позже, когда счет пошел на сотки тыщ кадров, положение выручили показавшиеся к тому времени компы и автоматические сканирующие устройства. Без их совладать с таковой горой инфы было бы просто нереально. Общее число стереоснимков, приобретенных в опытах на пузырьковых камерах, превосходит 100 млн!

Последние из могикан

За 30 лет в мире было выстроено чуток больше сотки пузырьковых камер, позволивших рассмотреть целую плеяду новых частиц, предсказанных теорией, и подтвердить существование «очарованного» кварка. Какие только воды (точнее, сжиженные газы) в их не использовались: водород, дейтерий, пропан, ксенон, неон, фреон и даже гелий. Рабочие температуры тоже были многообразны: от сверхнизкой для гелия либо водорода до практически комнатной для ксенона, пропана либо фреона. Начав с маленьких размеров, в несколько 10-ов см, камеры в конечном итоге заполучили воистину огромные масштабы. Последняя пузырьковая камера в Европейском центре ядерных исследовательских работ была построена к 1971 году и называлась «Гаргамель». Это был цилиндр поперечником 1,85 м и длиной 4,85 м, заполненный 18 т фреона. Конкретно с ней связано последнее достижение камерной эры – открытие необыкновенных взаимодействий простых частиц, нареченных нейтральными токами. В том же году в США была сделана и наибольшая в мире пузырьковая камера практически сферической формы поперечником 4,5 м для работы с водянистым водородом и дейтерием. Но никакие инженерные заслуги уже не могли принципно поменять ситуацию: эти сенсоры не могли работать с новыми ускорителями, которые выдавали пучки частиц с большой энергией и интенсивностью. Эра пузырьковых камер подходила к концу.

Новое – не до конца забытое старенькое

Но фото с пузырьковых камер еще рано списывать в архив иллюстраций. Не дальше как в 2002 году две экспериментальные группы (одна, работающая на синхротроне Spring-8 в Стране восходящего солнца, а другая из Института теоретической и экспериментальной физики в Москве) практически сразу сказали об обнаружении новых частиц, нареченных пентакварками. Русские ученые натолкнулись на это явление при анализе собственных экспериментальных данных, приобретенных много годов назад на ксеноновой пузырьковой камере «Диана»! Может, посреди 100 млн снимков обнаружится и еще чего-нибудть увлекательное?

Источник

Что фиксирует пузырьковая камера

Пузырьковая камера – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка пузырьков пара вдоль траектории её движения. Изобретена А. Глэзером в 1952 г. (Нобелевская премия 1960 г.).
Принцип действия пузырьковой камеры напоминает принцип действия камеры Вильсона. В последней используется свойство перенасыщенного пара конденсироваться в мельчайшие капельки вдоль траектории заряженных частиц. В пузырьковой камере используется свойство чистой перегретой жидкости вскипать (образовывать пузырьки пара) вдоль пути пролёта заряженной частицы. Перегретая жидкость – это жидкость, нагретая до температуры большей температуры кипения для данных условий. Вскипание такой жидкости происходит при появлении центров парообразования, например, ионов. Таким образом, если в камере Вильсона заряженная частица инициирует на своём пути превращение пара в жидкость, то в пузырьковой камере, наоборот, заряженная частица вызывает превращение жидкости в пар.

а.

б.

в.

Перегретое состояние достигается быстрым (5-20 мс) уменьшением внешнего давления. На несколько миллисекунд камера становится чувствительной и способна зарегистрировать заряженную частицу. После фотографирования треков давление поднимается до прежней величины, пузырьки “схлопываются” и камера вновь готова к работе. Цикл работы большой пузырьковой камеры 1 с (т. е. значительно меньше, чем у камеры Вильсона), что позволяет использовать её в экспериментах на импульсных ускорителях. Небольшие пузырьковые камеры могут работать в значительно более быстром режиме – 10-100 расширений в секунду. Моменты возникновения фазы чувствительности пузырьковой камеры синхронизуют с моментами попадания в камеру частиц от ускорителя.

Важным преимуществом пузырьковой камеры по сравнению с камерой Вильсона и диффузионной камерой является то, что в качестве рабочей среды в ней используется жидкость (жидкие водород, гелий, неон, ксенон, фреон, пропан и их смеси). Эти жидкости, являясь одновременно мишенью и детектирующей средой, обладают на 2-3 порядка большей плотностью, чем газы, что многократно увеличивает вероятность появления в них событий, достойных изучения, и позволяют целиком “уместить” в своём объёме треки высокоэнергичных частиц.
Пузырьковые камеры могут достигать очень больших размеров (до 40 м 3 ). Их, как и камеры Вильсона, помещают в магнитное поле. Пространственное разрешение пузырьковых камер ≈ 0.1 мм.
Недостатком пузырьковой камеры является то, что её невозможно (в отличие от камеры Вильсона) быстро “включить” по сигналам внешних детекторов, осуществляющих предварительный отбор событий, так как жидкость слишком инерционна и не поддается очень быстрому (за время ≈ 1 мкс) расширению. Поэтому пузырьковые камеры, будучи синхронизованы с работой ускорителя, регистрируют все события, инициируемые в камере пучком частиц. Значительная часть этих событий не представляет интереса.

Источник