קלורימטר (פיזיקת חלקיקים)

קלורימטר בפיזיקת חלקיקים מיועד לזיהוי סוגים שונים של חלקיקים העוברים דרכו תוך מדידת האנרגיה שלהם, בעודם הם נספגים ועושים אינטראקציה עם החומרים בקלורימטר. הקלורימטר הוא כלי בו משתמשים בגלאי חלקיקים, אשר מורכב משכבות של מספר גלאים. קיימים שני סוגים של קלורימטרים, אשר כל סוג מודד את האנרגיה של חלקיקים שונים בהתאם לכוחות האינטראקציה שלהם עם החומר בקלורימטר. הסוג הראשון הוא קלורימטר אלקטרומגנטי, בו מתבצעות אינטראקציות בין החומר שבו, לבין חלקיקים המגיבים לכוח האלקטרומגנטי. הסוג השני הוא קלורימטר האדרוני, בו מתבצעות אינטראקציות בין החומר שבו, לבין חלקיקים שהם האדרונים (חלקיקים המורכבים מקוורקים). לרוב שני סוגי קלורימטרים אלו באים אחד אחרי השני במבנה הגלאי. חלקיק אשר נכנס לתוך הקלורימטר מבצע אינטראקציה עם שכבת חומר מתכתי הנמצא בקלורימטר, וכך האנרגיה שנוצרת מההתנגשות מתפזרת בין החלקיקים שבמכשיר, כך שכל חלקיק מקבל חלק קטן מהאנרגיה ההתחלתית של החלקיק. למשל קרינה (אור), זרם חשמלי. תהליך התפזרות האנרגיה של האינטראקציה בין החלקיקים השניוניים במכשיר נקראת מקלחת חלקיקים [2]. שכבה נוספת במכשיר היא שכבת פלסטיק מבריק (פלואורסצנטי) אשר קולטת את האנרגיה של מקלחת החלקיקים, והופכת אותה לאנרגיה שניתנת למדידה (אור, חשמל). החלקיקים שעוברים דרך שכבת הפלסטיק, יוצרים אות שמביע פיקסל בתמונה של מצלמה שנמצאת במכשיר. תמונת מקלחת החלקיקים שצולמה נשלחת לניתוח, ובאמצעות מאגר נתונים שנמצא ברשות החוקרים, מתאימים את האנרגיה שהתקבלה לאנרגיה שהתקבלה מאינטראקציות שאירעו במכשיר בעבר, ובכך ניתן לגלות ולמצוא חלקיקים חדשים. יש לציין שבקלורימטר, שכבת הפלסטיק הפלואורסצנטי ושכבת המתכת באות אחת אחרי השנייה ברצף, להרכבת המכשיר כולו. באמצעות השכבות השונות בקלורימטר אשר מתעדות את תנועת החלקיק, אנו יכולים לדעת את התנע ואת האנרגיה של החלקיק ובכך לזהות אותו. תנועת החלקיקים במכשיר היא אינה ישרה, אלא מעגלית. בגלאי עצמו, מכניסים בין הקלורימטרים חוטי נחושת בצורת סלילים, וכאשר מזרימים דרכם זרם חשמלי, הם יוצרים שדה אלקטרומגנטי שגורם לחלקיקים טעונים לנוע במסלול מעגלי. מסלול החלקיק בגלאי יכול ללמד אותנו גם על הסוג של החלקיק- חלקיק קל שנעצר בקלורימטר האלקטרומגנטי כמו אלקטרונים פוזיטרונים ופוטונים, או חלקיק כבד יותר שמכיל קוורקים כגון פרוטונים, פאיונים ונייטרונים שנעצרים בקלורימטר האדרוני. בהתחלה הומצא הקלורימטר על מנת לחקור קרניים קוסמיות. לאחר מכן, הקלורימטר שימש למדידת אנרגיה של חלקיקים כמו אלקטרונים, פוטונים והאדרונים. המכשיר עצמו עוזר רבות במחקר על פיזיקת חלקיקים. קלורימטר אלקטרומגנטי מודד את האנרגיה של חלקיק בעל מטען חשמלי שעושה אינטראקציה עם השדה האלקטרומגנטי. כל חלקיק בעל מטען חשמלי (מלבד הפוטון שהוא חלקיק נייטרלי אבל הוא נושא הכוח האלקטרומגנטי) יבצע אינטראקציה עם הקלורימטר, אך רק חלק מהחלקיקים נבלמים ונעצרים על ידי הקלורימטר. קלורימטר זה יכול להיות גם קלורימטר דוגמי (Sampling Calorimeter) וגם קלורימטר הומוגני (Homogeneous Calorimeter). דוגמה לקלורימטר אלקטרומגנטי במחקר על פיזיקת חלקיקים הוא בניסוי הATLAS. בניסוי זה, מטרת הקלורימטר היא בעיקר למדוד את אנרגיית האלקטרונים והפוטונים. בניסוי זה, הקלורימטר מורכב משכבות רבות של פלדה- הן השכבות הסופגות, שביניהן יש ארגון נוזלי, שמצוי בטמפרטורה של 185 מעלות צלזיוס. בשכבת הארגון הנוזלי, מצויה גם רשת נחושת אשר משמשת כאלקטרודה שמטרתה למדוד את האלקטרונים שעוברים בסביבתה. החלקיקים שנעצרים בקלורימטר האלקטרומגנטי הם אלקטרונים, פוזיטרונים ופוטונים. כאשר אלקטרון או פוזיטרון נכנסים למכשיר הם מבצעים אינטראקציה עם החומר הסופג (החומר שבו החלקיק "מפקיד את האנרגיה שלו") ומפיקים פוטונים שמתקדמים בקלורימטר, והופכים לזוגות של אלקטרון ואנטי אלקטרון (פוזיטרון) ונוצרת מקלחת חלקיקים. האלקטרון/ פוזיטרון ההתחלתי שנכנס לקלורימטר, יכול להפיק עוד זוגות של אלקטרונים ופוזיטרונים ובכך נוצרת מקלחת חלקיקים, עד שהאנרגיה ההתחלתית של החלקיק התפזרה באופן שווה בין "המקלחות" והאנרגיה של החלקיק דועכת. אם החלקיק שנכנס למכשיר הוא פוטון, מתרחש תהליך פיזיקלי שנקרא יצירת זוג (Pair production), בו פוטון מתפצל לזוג של אלקטרון ופוזיטרון, ואז המקלחת ממשיכה באופן שתואר קודם. קלורימטר זה, מודד את האנרגיה של חלקיקים האדרונים (חלקיקים תת-אטומיים המורכבים מקווארקים וגלואונים) שעושים אינטראקציה גרעינית באמצעות הכוח החזק (הכוח החזק אחראי למשיכת הפרוטונים והנייטרונים יחד ליצירת גרעין האטום.) עם גרעיני הגלאי. "מקלחת האדרונית", נוצרת כחלק מתוצרי התנגשויות של חלקיקים האדרונים עם גרעיני הגלאי. מההתנגשויות נוצרים חלקיקים נוספים, לרוב פאיונים, שמבצעים אינטראקציה נוספת עם חומר אחר בגלאי וחוזר חלילה. מדידת האנרגיה של חלקיקים האדרונים חשובה לנו כיוון שזה יכול להגיד לנו אם חלקיקים חדשים כמו חלקיק ההיגס או חלקיקי סופר סימטריה (שהם גרסאות יותר כבדות של החלקיקים שאנו מכירים) נוצרו. כשחלקיקים אלה דועכים, הם יכולים להפיק חלקיקים חדשים שלא משאירים שום זכר לקיומם בכל חלקי הגלאי. כדי לזהות אותם, הקלורימטר האדרוני חייב להיות אזור סגור הרמטית שתופס את כל החלקיקים שנוצרו מההתנגשות. כך אנו בעצם יכולים לדעת שאם חלקיק נורה מצד אחד של הגלאי אבל לא יוצא מהצד השני עם תנע ואנרגיה שקולים אז הופקו חלקיקים "בלתי נראים" (כמו נויטרינו). קלורימטר זה בדרך כלל עבה יותר מקלורימטר אלקטרומגנטי כיוון שיותר קשה לעצור חלקיקים הארדונים. קלורימטר זה יכול להיות רק קלורימטר דוגמי. החלקיקים שנעצרים בקלורימטר האלקטרומגנטי הם פאיונים, נייטרונים ופרוטונים. הקלורימטר הדוגמי והקלורימטר ההומוגני נבדלים אחד מהשני במבנה שלהם: מורכב משכבות ספורות. בשכבה הראשונה יש חומר סופג המשמש למדידת אנרגיית חלקיק בודד, זהו החומר הפסיבי. דוגמאות לחומרים אלה- עופרת, ברזל, אורניום ונחושת. בחומר הסופג מופקדת אנרגיית החלקיק, ומתחילה מקלחת חלקיקים. ישנו גם חומר סופג אקטיבי. דוגמאות לחומרים אלה- חומר שקוף מבריק (סינטילטורים גבישיים), גלאי עשוי סילקון, גלאי מגז. חומר זה במגע עם חמצן הופך לחומר שקוף ונוצץ, שאלקטרונים ופרוטונים יכולים לעבור דרכו, מה שאומר שהחומר מפיק אור בהתאם לאנרגיה של החלקיק. חיישני אור שנמצאים בחומר זה מזהים את הנצנוץ אור והופכים אותו לאות אלקטרומגנטי שנשלח לניתוח ובכך לומדים על החלקיק ועל מקלחת החלקיקים שעוברת בקלורימטר. היתרונות בקלורימטר דוגמי- בבחירת חומר סופג צפוף מאוד, הקלורימטר יכול להיות מאוד קומפקטי, החומר הפסיבי הוא בדרך כלל זול מאוד. החסרונות בקלורימטר דוגמי- רק חלק מאנרגיית החלקיקים מופקדת בגלאי, וכתוצאה מכך רק חלק ממנה נמדדת. כלומר, האנרגיה שמופקדת קטנה מהאנרגיה הסופית.[5] החומר שסופג וקולט את החלקיקים משמש גם כחומר סופג, וגם כמפיק אות שניתנת למדידה ואומרת לנו את האנרגיה שאצורה בחלקיק. קלורימטר הומוגני יכול להיות רק קלורימטר אלקטרומגנטי. היתרון בקלורימטר הומוגני- האנרגיה הסופית היא הכי מדויקת, המקסימלית. החיסרון בקלורימטר הומוגני- יקר.[6] כיום, פיזיקת החלקיקים שואפת להגיע לאנרגיות גבוהות מאוד בניסוייה ולתעד ניסויים אלה על מנת למצוא בהן מידע חיוני. הקלורימטר הוא אחד מהאמצעים למדידה, והוא תורם רבות למימוש שאיפות אלו. קלורימטר מתאים לניסויים באנרגיות גבוהות, בגלל שהרזולוציה (רמת הדיוק) של המכונה משתפרת ככל שהאנרגיה גבוהה יותר. קלורימטר רגיש לכל סוגי החלקיקים. המכונה מזהה את מטען החלקיק ואת סוגו. הקלורימטר יכול לקבוע את כיוון "מקלחת החלקיקים" ולקבוע את הזמן שלוקח לחלקיק חדש להיווצר בו. קלורימטר- לשימוש הכימי של המכשיר יצירת זוג- התהליך שמתרחש כשפוטון נכנס למכשיר ניסוי הCMS- שימוש הקלורימטר בניסויים פיזיקליים קלורימטר עבור פיזיקת חלקיקים- מתוך הספר "הסבר על פיזיקה מודרנית", כרך 75 איך קלורימטר עובד, חלק 1- הסבר מתוך בלוג על פיזיקת חלקיקים, נכתב על ידי דניס דמזיו קלורימטרים, גלאים עבור פיזיקת חלקיקים- נכתב על ידי מנפרד קרמר קלורימטרים, מדידת אנרגיה של חלקיקים קלורימטרים- מדידת אנרגייה דניס אוליביירה דמאציו, איך קלורימטר עובד מנפרד קרמר, 6 קלורימטרים- גלאי פיסיקת חלקיקים (ארכיון) כריסטיאן וו 'פאבאן ופביולה ג'יאנוטי, קלורימטר עבור פיזיקת חלקיקים