גלאי חלקיקים

גלאי חלקיקים הוא מתקן ניסוי המשמש לגילוי חלקיקים החודרים אליו. גלאי חלקיקים משמשים בניסויים בתחום פיזיקת החלקיקים ובתחום הפיזיקה הגרעינית.
לעיתים משמשים בניסוי אחד מספר גלאי חלקיקים, כשכל אחד מהם מודד פרמטר אחר של החלקיק. הפרמטרים שבדרך כלל נמדדים על ידי גלאי חלקיקים הם: אנרגיה, תנע (כולל כיוון תנועה) ומטען חשמלי. את גודלם של פרמטרים נוספים, כמו מסה, ניתן להסיק באופן עקיף בעזרת המדידות הישירות. גם את זהותו של החלקיק ניתן לעיתים להסיק באופן עקיף, מתוך קיומה או אי-קיומה של אינטראקציה עם גלאים שונים בניסוי.
גלאי החלקיקים עובד באמצעות אינטראקציה של החלקיק עם החומר בגלאי. לעיתים מדובר באינטראקציה חלשה יחסית והחלקיק ממשיך בדרכו, ולעיתים האינטראקציה חזקה יותר והחלקיק נבלע בתוך הגלאי. הפלט של גלאי חלקיקים מודרניים מחובר בדרך כלל למערכת אלקטרונית שמאפשרת העברה מיידית של תוצאות המדידה למחשב לצורך עיבודן ושמירתן. גלאי חלקיקים ישנים יותר משמיעים צליל, או שנגרם בהם שינוי נראה לעין שניתן לצלם אותו, כשחודר אליהם חלקיק.

אינטראקציה של חלקיקים עם הגלאי

החלקיקים שעוברים דרך הגלאי יכולים להגיב איתו באמצעות אחד מארבעת כוחות היסוד.

אינטראקציה אלקטרומגנטית

לאינטראקציה האלקטרומגנטית יש שימוש נרחב במיוחד בתכנון גלאים. אינטראקציה זו מאפשרת גילוי ומדידה של חלקיקים טעונים או של פוטונים (בוזוני הכיול של האינטראקציה האלקטרומגנטית). היא משמשת פעמים רבות גם כשלב משני, עבור גילוי אלקטרונים, פוזיטרונים ופוטונים שנוצרו לאחר האינטראקציה הראשונית של חלקיק אנרגטי עם הגלאי.
בהתאם לחוק קולון, פועל כוח בין חלקיקים טעונים שעוברים דרך הגלאי ובין האלקטרונים בקליפות החיצוניות של האטומים המרכיבים אותו. על אף שחלקיקים אנרגטיים יכולים להגיב גם עם גרעין האטום, הרי שתגובה זו נדירה יותר ובדרך כלל לא נעשה בה שימוש בתכנון גלאי חלקיקים. האינטראקציות עם האלקטרונים גורמות לשינויים באטומים שמתבטאים כעירור או יינון. השינויים הללו יכולים להתגלות על ידי הגלאי. איבוד האנרגיה של החלקיק באינטראקציה בודדת עם אטום הוא קטן באופן יחסי, ולכן דרוש מספר גדול של התנגשויות על מנת לעצור את החלקיק באופן מוחלט. לאלקטרונים בעלי אנרגיה נמוכה יש אינטראקציה נוספת עם מולקולות מסוימות, דוגמת חמצן מולקולרי. אלקטרונים אלו יכולים להילכד באופן ישיר על ידי המולקולות.
חלקיקים טעונים יחסותיים, שנעים במהירויות גבוהות במיוחד, יכולים לפלוט פוטונים בעת מעבר דרך חומר, וזאת בנוסף לאינטראקציה שלהם עם האטומים שגורמת לעירור או יינון. פוטונים אלו יכולים להוות אמצעי נוסף לגילוי החלקיקים הטעונים המהירים. קיימים שלושה סוגים של תהליכים שבמסגרתם נפלטת קרינת פוטונים: קרינת בלימה (Bremsstrahlung) שנוצרת כשהחלקיק מאט את מהירותו בעת המעבר דרך החומר, פליטה של קרינת צ'רנקוב כשמהירות החלקיק גבוהה ממהירות האור בחומר, ופליטה של קרינת מעבר בעת מעבר של חלקיקים טעונים מהירים בין חומרים בעלי מקדם דיאלקטרי שונה.
לפוטונים יש שלוש אינטראקציות אפשריות עם גלאי חלקיקים: יצירת זרם חשמלי כתוצאה מהאפקט הפוטואלקטרי או כתוצאה מהאפקט הפוטו-וולטאי, פיזור קומפטון כתוצאה מאינטראקציה בין פוטון ואלקטרון, ויצירת זוג של אלקטרון פוזיטרון. כאשר האנרגיה של הפוטון גבוהה מהאנרגיה הדרושה ליצירת זוג של אלקטרון ופוזיטרון (פעמיים מסת המנוחה של האלקטרון מוכפלת במהירות האור בריבוע), התהליך השלישי מתרחש בהסתברות גבוהה. אחרת, יש עדיפות לאחד משני התהליכים הראשונים.

אינטראקציות אחרות

הכוח הגרעיני החזק פועל בין האדרונים. האדרונים נייטרליים וארוכי חיים, דוגמת הנייטרון יכולים להתגלות רק באמצעות פעולתו של כוח זה, כלומר באמצעות תגובות גרעיניות. בעת מעבר של נייטרון דרך חומר, גרעיני האטומים יכולים לעבור שינוי, למשל עירור גרעיני. בגלאים המבוססים על פעולת האינטראקציה הגרעינית החזקה נוצרים בסופו של דבר חלקיקים טעונים, והם אלו שמתגלים על ידי יחידות הגילוי. אם האנרגיה של ההאדרון המקורי גבוהה, הדבר יקרה לאחר מספר שלבים של יצירת האדרונים בעלי אנרגיות הולכות וקטנות.
חלקיקי נייטרינו יכולים להתגלות רק באמצעות פעולת הכוח הגרעיני החלש. גלאי נייטרינו מבוססים על שינויים בחומר שממנו מורכב הגלאי שמתרחשים בעקבות אינטראקציה בין חלקיקי הנייטרינו לחלקיקי החומר. התוצרים של האינטראקציה מתגלים בדרכים שונות, למשל על ידי זיהוי הרכב הגז בגלאי. לחלופין, חלקיקים טעונים שנוצרים באינטראקציה יכולים לפלוט פוטונים, אם מהירותם גבוהה.
עקב עוצמתה הנמוכה של הכבידה קשה יותר לתכנן גלאים לגרביטונים, ואכן חלקיקים אלו טרם התגלו. כיום (2008) פועלים מספר גלאים לגילוי גלי כבידה. ניתן להתייחס לגלים אלו כאוסף גדול של גרביטונים. פעולתם של גלאי גלי כבידה מבוססת על יחידת גילוי שאמורה לנוע כתוצאה מהאינטראקציה הכבידתית עם גלי הכבידה.