Spirale, błyski i linie
Aby naprawdę zgłębić materię na jej najbardziej fundamentalnym poziomie, ludzie muszą być w stanie zwizualizować ten ukryty świat. I tu właśnie zastosowanie znajdują detektory cząstek. Wykrywają one ślady najdrobniejszych składników wszechświata, urzeczywistniając te nieuchwytne koncepcje. Co więcej, detektory cząstek ujawniają ukryte piękno: Cząstki pozostawiają po sobie zgrabne spirale bąbelków, błyski światła i wyraźne linie iskier.
Kiedy cząstka przemieszcza się przez dany materiał, upuszcza „okruchy”, które mogą zdradzić jej drogę. Te okruchy mogą mieć różną postać: światła, ciepła lub ładunku elektrycznego. „W zasadzie każdy istniejący detektor cząstek szuka jednej lub więcej z tych trzech rzeczy," mówi fizyk cząstek Jennifer Raaf z Fermilab w Batavii, w USA. Detektory cząstek przetwarzają ślady pozostawione przez cząstki na sygnały, które mogą być rejestrowane i analizowane. Sygnały te pomogły w odkryciu fizyki modelu standardowego - ukoronowania nauki opisującej cząstki i siły natury. Prawdopodobnie będą one również kluczowe w odkryciu fizyki wykraczającej poza model standardowy.
Istnieje wiele metod wykrywania nanocząstek
Wraz z upływem czasu technologie wykrywania cząstek uległy znacznemu udoskonaleniu. Oto kilka typów detektorów, dzięki którym to, co niewidzialne, stało się widzialne.
„Przez chmurę”
Jednym z pierwszych sposobów, w jaki naukowcy wizualizowali tory cząstek, były komory z chmurami. Opracowane ponad sto lat temu komory chmurowe są wypełnione gazem - często oparami alkoholu. Kiedy naładowana cząstka przechodzi przez komorę, pozbawia powietrze elektronów, tworząc ładunek elektryczny, który inicjuje kondensację. Wzdłuż drogi cząstki tworzy się smużka, przypominająca miniaturową smugę kondensacyjną.
Ścieżki z bąbelkami
Kiedy naładowane cząsteczki przechodzą przez ciecz w komorze bąbelkowej, pozostawiają za sobą maleńkie bąbelki pary. Chociaż komory są zwykle wypełnione ciekłym wodorem, można w nich stosować różne płyny; jeden z wczesnych prototypów wykorzystał nawet... piwo. Komory bąbelkowe mogą być większe niż komory chmurowe i wytwarzają ostrzejsze obrazy torów, co umożliwia obserwację większej liczby cząstek z większą liczbą szczegółów.
Technologia cyfrowa
Komory chmurowe i komory bąbelkowe miały pewną wadę. Ślady cząstek były w nich zazwyczaj rejestrowane za pomocą zdjęć, a każde z nich musiało być sprawdzane wzrokowo w poszukiwaniu interesujących elementów. Proces ten był zbyt powolny i uniemożliwiał fizykom odkrycie cząstek, które mogą pojawić się tylko na jednym lub dwóch z niezliczonych zdjęć, jeśli w ogóle. Aby znaleźć najrzadsze z cząstek, „nie można patrzeć na zdjęcia. Trzeba mieć te informacje zdigitalizowane w inteligentny sposób" - mówi Sam Zeller, fizyk cząstek elementarnych ze wspomnianego laboratorium Fermilab.
Metoda świetlna
Naukowcy opracowali również metody wykrywania cząstek za pomocą światła. Kiedy cząstka porusza się powyżej pewnej prędkości granicznej dla danego materiału, emituje światło, znane jako „światło Czerenkowa”. Jest to analogiczne do przekroczenia przez samolot bariery dźwięku i wywołania boomu dźwiękowego. Naładowane cząstki mogą również emitować światło, gdy przechodzą przez materiały pokryte pewnymi substancjami chemicznymi, zwane scyntylatorami.
Łączenie wszystkiego w całość
Nowoczesne detektory w największych światowych zderzaczach cząstek, takich jak detektory w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN pod Genewą, zawierają po trochu wszystkiego. „Jest to złożona sieć różnych typów detektorów; każdy odpowiada za coś innego" - mówi cytowana już Raaf.
Mające wysokość wielu pięter, te masywne maszyny wykorzystują różne technologie - detektory scyntylacyjne, detektory Czerenkowa. Zazwyczaj zawierają one również detektory wykonane z krzemu, które mogą precyzyjnie mierzyć tory cząstek na podstawie małych prądów elektrycznych wytwarzanych podczas przechodzenia cząstek. Po zderzeniu cząstek w centrum detektora, komputery przetwarzają dane ze wszystkich jego części i rekonstruują, co wydarzyło się podczas zderzenia, śledząc ścieżki, którymi poruszały się cząstki.
Bez względu na technikę, hipnotyzujące subatomowe hieroglify pozwalają fizykom rozszyfrować język ojczysty materii, odsłaniając jej składniki i siły, dzięki którym się porozumiewają. „To niesamowite, że można zobaczyć to, co niewidzialne" - mówi Zeller.
