Eso depende mucho del tipo de experimento realizado y de la energía de las partículas a identificar. Supongo que está preguntando acerca de las partículas estables o de larga vida, de modo que generalmente no se descomponen antes de ser absorbidas o salir del detector. Esto nos deja con los siguientes para identificar:
- fotones
- electrones
- muones
- neutrinos (cualquier tipo)
- piones cargados
- kaons cargados
- kaons neutrales
- protones
- neutrones
- lambda bariones
- partículas exóticas aún desconocidas
En cierto sentido, el caso más simple son los neutrinos. No los ve directamente, las posibilidades de que interactúen en el detector son extremadamente bajas. Por lo tanto, la única forma de identificar un neutrino es tener un detector razonablemente hermético (uno que detecte la mayoría de las partículas salientes y pueda medir sus momentos) y detectar un desequilibrio en sus momentos, casos en los que no se suman al impulso. de partículas entrantes. Si ve tal desequilibrio, puede deducir que alguna partícula se ha escapado de su detector y determinar aproximadamente su momento. OK, podría ser un neutrino o una partícula exótica, desconocida, neutral, que interactúa débilmente, no lo sabes sin un análisis en profundidad de los productos de colisión.
Como u otras partículas de nuestra lista: el primer paso generalmente es determinar si la partícula tiene carga eléctrica o es neutral. Esto es relativamente fácil: casi todos los detectores de partículas tenemos el principio de detectar la ionización de algún medio por una partícula que pasa, y solo las partículas cargadas causan dicha ionización. Las partículas neutras son “invisibles” para nuestros detectores hasta que chocan con algo y eliminan algunas partículas o partículas cargadas. Por lo tanto, el paso es el siguiente: pones un detector de baja densidad al frente y uno grueso de alta densidad detrás. Si ve una señal en el detector de baja densidad (y, para estar seguro, generalmente desea varios detectores de este tipo para evitar golpes espurios y reconstruir el camino de la partícula), entonces la partícula se carga. Si no se ve nada en los detectores de, pero obtienes algo del grueso y de alta densidad, entonces sabes que has visto partículas neutras, que pasaron tus detectores de baja densidad sin dejar rastro, pero interactuaron en el densidad uno, y produjo algunos secundarios cargados, vistos por su detector.
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Entonces, comencemos con partículas cargadas. Y, para empezar, divídalos en tres grupos: electrones, muones y hadrones (los piones, los kaones y los protones se incluyen en esta categoría). A energías suficientemente altas, las moun son más fáciles de identificar, ya que interactúan solo débilmente con los núcleos atómicos. Un muón de alta energía puede atravesar capas de materiales densos (como metales) de muchos metros de espesor sin ser absorbidos, simplemente perdiendo algo de energía por la ionización del medio. Por lo tanto, si registró una partícula cargada, luego coloque una capa gruesa de absorbente y detrás de ella registre nuevamente una sola partícula cargada, puede estar seguro de que era un muón.
Ahora para los electrones: como los muones, también interactúan muy débilmente con los núcleos atómicos, pero, debido a su baja masa, se aceleran fuertemente cuando pasan cerca de un núcleo y tienden a irradiar fotones. Por lo tanto, si un electrón de alta energía se envía a un medio denso, perderá rápidamente su energía a esta radiación gamma (llamada Bremsstrahlung). Los fotones producidos a su vez eliminarán los electrones de los átomos o se convertirán en pares electrón-positrón, por lo que un electrón se absorbería bastante rápido en un detector grueso de alta densidad, y el detector registrará muchas partículas cargadas que aparecen cerca unas de otras.
Esto nos deja con protones, kaones cargados y piones cargados. Comparten una propiedad común: todos interactúan fuertemente con los núcleos atómicos. Si envía un hadrón de alta energía a un medio denso, tarde o temprano colisionará con algún núcleo y producirá en tal colisión varias partículas secas. Esas partículas en su mayoría serían hadrones, por lo que probablemente también colisionarán con algunos núcleos y producirán otros … hasta que se disipe toda la energía. Por lo tanto, el resultado neto en su “detector grueso” sería algo similar a un electrón, pero como las probabilidades de interacción y los tipos de partículas producidas son diferentes, existen suficientes diferencias para poder (generalmente) distinguir electrones de piones / protones .
Ahora, si quieres saber exactamente qué tipo de hadron has visto: pion, kaon o protón, bueno, si es de alta energía, como algunos GeV o más, no tienes suerte. No tenemos una forma confiable de distinguirlos si se mueven realmente rápido. Sin embargo, si son más lentos, hay formas de averiguar cuál es. Una idea es utilizar la cantidad de ionización que produce la partícula cuando viaja en un medio. Todas las partículas rápidas producen en promedio la misma cantidad de ionización (siempre que tengan la misma carga eléctrica), pero para las más lentas, la ionización depende de la velocidad y, en la misma medida, de su masa, por lo que puede tratar de descubrir la partícula escriba si puede medir cuántos electrones libera por unidad de longitud de ruta.
Otra idea es medir independientemente el momento y la velocidad de una partícula. Si tiene impulso y velocidad, puede calcular la masa y así identificar la partícula. Para medir el impulso, envía la partícula a través de un campo magnético conocido y mide cuánto se dobla su trayectoria en el campo. Para medir la velocidad, configura dos detectores capaces de medir con precisión el tiempo de paso de una partícula, úselos para medir el tiempo de vuelo y dividir la longitud de la ruta por ese tiempo. Esto, como se dijo, funciona en momentos de quizás 2–3 GeV / c, por encima de que todas las partículas tienen velocidades cercanas a la velocidad de la luz y el tiempo de vuelo no se puede medir con la suficiente precisión como para ver las diferencias entre ellas.
Ahora, partículas neutras: antes mencioné neutrinos, así que nos quedan fotones y neones y kaones neutros. Los fotones en un medio denso se comportan de manera muy similar a los electrones: generalmente se convierten primero en un par electrón-positrón, y luego en el mismo mecanismo en cascada que los electrones fo. Entonces, si ve en su “detector de espesor” una señal que parece un electrón, pero no hay una pista de partículas cargadas apuntando hacia ella, sabrá que es un fotón. Del mismo modo, los hadrones neutros interactúan con los núcleos al igual que los hadrones cargados, por lo que si ve en el detector de espesor una señal que parece un protón / pión / kaon cargado, pero no hay una pista de partículas cargadas que lo señale, sabrá que se ha detectado un hadron neutro . Aquí prácticamente no hay forma de distinguir los neutrones de los kaones neutros, se verán iguales en el detector.
Nos quedamos con la clase “desconocido exótico”. Bueno, hay tantos posibles exóticos, que no hay una forma única de verlos. En general, busca algo extraño que no se ajuste a las partículas conocidas. Tal vez produce una cantidad inusual de ionización? Esto sugeriría una carga eléctrica diferente de las partículas conocidas. ¿Tal vez la medición del tiempo de vuelo sugiere que es sorprendentemente lenta? Podría ser algo muy pesado y, por lo tanto, de movimiento lento incluso con un gran impulso. Tal vez reacciona inusualmente al campo magnético? Podría ser un monopolo magnético. Y así.
En realidad, hay más ideas sobre cómo identificar partículas, no mencioné, por ejemplo, la radiación Cerenkov o los detectores de radiación de transición, pero los métodos enumerados anteriormente son los más comunes en la física de alta energía.
