Strona głównaPytania → Jak odróżniać cząstki elementarne?

Jak odróżniać cząstki elementarne?

Pytanie

Pyta Marek

Cząstek elementarnych jest bardzo dużo. Jak fizycy odróżniają np. elektron od gluonu, gluon od neutrino, neutrino od neutronu, itd.? Jeśli w wyniku zderzeń powstaje ślad danej cząstki, to skąd wiadomo, że to taka a nie inna cząstka elementarna?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Polecam wizytę w Centrum Kopernika w Warszawie aby przyjrzeć się działaniu komory Wilsona, w której na bieżąco powstają ślady przelatujących przez nią elektronów, pozytonów i cząstek alfa (jąder helu). W tym detektorze ślady cząstek alfa są krótkie i grube, a ślady elektronów/pozytonów dłuższe i węższe, co wynika z faktu, że cząstki te różnią się istotnie masą, a także mają istotnie różną siłę oddziaływania z atomami detektora.

W różnych detektorach sposoby identyfikacji cząstek są różne. Często wykorzystywane jest pole magnetyczne, w którym cząstki naładowane poruszają się po trajektoriach spiralnych. Okres obiegu cząstki wokół osi spirali jest proporcjonalny do stosunku jej energii całkowitej do ładunku elektrycznego. Tak więc mierząc parametry spirali otrzymujemy jedną z informacji potrzebnych do identyfikacji.

Gluonów jako swobodnych cząstek nie obserwujemy, gdyż podobnie jak kwarki występują one jedynie w stanach związanych (hadronach), m.in. w protonach, neutronach, mezonach $\pi$ i K. Ślady naładowanych hadronów w detektorach obserwujemy bezpośrednio, a obserwacja neutralnych hadronów następuje dzięki ich charakterystycznym oddziaływaniom z elektronami i jądrami atomów detektora.

Neutralne elektrycznie fotony obserwujemy dzięki ich oddziaływaniom z elektronami, m.in. poprzez tzw. „prysznice elektronowe” powstałe w wyniku oddziaływania wysokoenergetycznego fotonu z materią. Obraz takiego zjawiska w detektorze jest charakterystyczny i umożliwia stwierdzenie z dużą pewnością, że cząstką je wywołującą był foton.

We współcześnie funkcjonujących detektorach identyfikacja cząstek dokonywana jest automatycznie przez układy elektroniczne, i prawie w każdym wypadku istnieje niezerowe (choć często bardzo małe) prawdopodobieństwo błędnej identyfikacji. Prawdopodobieństwo to umiemy oszacować, i uwzględniamy je przy analizie danych.

Obserwacja neutrin jest dużo trudniejsza, gdyż cząstki te oddziałują bardzo słabo. Najpierw trzeba odizolować detektor od jakichkolwiek innych źródeł promieniowania, m.in. umieszczając go głęboko po ziemią. Wysokoenergetyczne neutrina mogą dzięki zderzeniom przyśpieszać elektrony, a te z kolei emitują fotony (światło) w trakcie przelotu przez materiał scyntylacyjny (np. wodę). Wyobraźmy sobie modulowaną wiązkę neutrin nadlatującą z CERN-u (w Genewie) do detektora w Gran Sasso we Włoszech. Jeśli sygnały scyntylacyjne są skorelowane ze znaną nam modulacją, to jesteśmy pewni, że mamy do czynienia z neutrinami, gdyż nic innego nie mogłoby przelecieć kilkuset kilometrów przez wnętrze Ziemi.