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. החלקיקים שעוברים דרך הגלאי יכולים להגיב איתו באמצעות אחד מארבעת כוחות היסוד. 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. 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. מאיצים חלקיקים לאנרגיות גבוהות לפני שהם מתנגשים בתוך הגלאי, הגלאים אוספים רמזים לגבי החלקיקים (תנע, אנרגיה ומטען) שממנו פיזיקאים יכולים לחשב את זהותו של החלקיק. התהליך דורש מאיצים, אלקטרומגנטים חזקים ושכבה על גבי שכבה של תת-גלאים מורכבים. חלקיקים טעונים המיוצרים בהתנגשויות נעים בדרך כלל בקווים ישרים, אך בנוכחות שדה מגנטי המסלול שלהם מתעקם. אלקטרומגנטים סביב גלאי חלקיקים מייצרים שדות מגנטיים כדי לנצל את אפקט זה, הפיזיקאים יכולים לחשב את המומנטום של החלקיק. מהעקמומיות של מסלול ניתן לחשב את מטען החלקיק והתנע שלו, חלקיקים עם תנע גבוה נעים בקווים כמעט ישרים, ואילו אלה עם תנע נמוך מאוד נעים קדימה בספירלות הדוקות בתוך הגלאי. גלאי חלקיקים מודרניים מורכבות משכבות של תת-גלאים, כל אחד מהם נועד לחפש תכונות מסוימות, או סוגים מסוימים של חלקיקים. מכשירי מעקב מראים את נתיב החלקיק; קלורימטר עוצרים, סופגים ומודדים את האנרגיה של החלקיק. וגלאי קרינה משתמשים במגוון טכניקות כדי לזהות את החלקיק על סמך קרינה שהוא פולט. מכשירי מעקב מראים את נתיבי החלקיקים עם מטען חשמלי כשהם עוברים אינטראקציה עם חומרים מתאימים. רוב מכשירי המעקב אינם מראים את מסלולי החלקיקים באופן ישיר, אך רושמים אותות חשמליים זעירים שחלקיקים יוצרים בזמן שהם עוברים דרך המכשיר, לאחר מכן משחזרת תוכנית מחשב את תבניות הרצועות המוקלטות. סוג אחד של חלקיק, המיואון, מגיב מעט מאוד עם החומר, הוא יכול לנוע דרך מטרים של חומר צפוף לפני שהוא נעצר. מסיבה זו, תאי מיואון (התקני מעקב המתמחים לגילוי מיואונים) מהווה בדרך כלל את השכבה החיצונית ביותר של גלאי. קלורימטר מודד את האנרגיה שחלקיק מאבד כאשר הוא עובר דרכו. בדרך כלל זה נועד לעצור לחלוטין או "לספוג" את רוב החלקיקים המגיעים מהתנגשות - מכריח אותם להפקיד את כל האנרגיה שלהם בגלאי. קלורימטר מורכב בדרך כלל משכבות של חומר "פסיבי" או "סופג" בצפיפות גבוהה - למשל עופרת, ומדיום "פעיל" - כמו זכוכית עופרת מוצקה או ארגון נוזלי, השזורים זו בזו. קלורימטרים אלקטרומגנטיים מודדים את האנרגיה של אלקטרונים ופוטונים כאשר הם מתקשרים עם החלקיקים הטעונים החשמליים בחומר. קלורימטר הדדרוני מודדים את האנרגיה של הדרונים (חלקיקים המכילים קווארקים, כמו פרוטונים ונייטרונים) תוך כדי אינטראקציה עם גרעינים אטומיים. קלורימטר יכול לעצור את רוב החלקיקים הידועים למעט מיואונים ונייטרינו. ברגע שחלקיק עבר דרך מכשירי המעקב והקלורימטר, יש לפיזיקאים שתי שיטות נוספות לצמצום זהותו. שתי השיטות פועלות באמצעות גילוי קרינה הנפלטת על ידי חלקיקים טעונים. גלאי צ'רקוב - כאשר חלקיק טעון נוסע מהר יותר ממהירות הפאזה של האור בתוך החומר, הוא פולט קרינת צ'רנקוב בזווית התלויה במהירותו. ניתן לחשב את מהירות החלקיק מזווית זו. לאחר מכן ניתן לשלב את המהירות עם מדד לתנופה של החלקיק לקביעת המסה שלו כמו כן זהותו. כאשר חלקיק עם מטען חוצה את הגבול בין שני מבודדים חשמליים עם התנגדות שונה לזרמים חשמליים הוא פולט קרינת מעבר. התופעה קשורה לאנרגיה של החלקיק וכך ניתן להבחין בין סוגי החלקיקים השונים. איסוף כל הרמזים האלה מחלקים שונים בגלאי, מאפשר לפיזיקאים לבנות תמונת מצב של מה שהיה בגלאי ברגע ההתנגשות. השלב הבא הוא למצוא התנגשויות חלקיקים לא שגרתיות או תוצאות שאינן מתאימות לתאוריות הנוכחיות על ידי אנליזה של הנתונים. מהגלאים מתקבלות מדידות שניתן לתרגם לאנרגיה ואותה להמיר למסה, לפי שקילות המסה והאנרגיה. על ידי שימוש בחוקי שימור ניתן לחזות כיצד ידעך חלקיק חזוי מהמודל הסטנדרטי. אין דרך לדעת מאיזה תהליך ספציפי הגיע כל חלקיק שנמדד, למשל π 0 ⟶ γ + e − + e + {\displaystyle \pi _{0}\longrightarrow \gamma +e^{-}+e^{+}}  ו- ⟶ e + e − {\displaystyle \longrightarrow e^{+}e^{-}} Z 0 {\displaystyle Z_{0}} אלו שתי דעיכות של חלקיקים נייטרליים המסתיימות בזוג אלקטרון פוזיטרון, לכן יש לקחת מספר רב של מדידות של תוצרי דעיכה מתאימים (שהתקבלו באותו רגע) ולסדר אותם בדיאגרמה של מספר מדידות באינטרוול קבוע מסוים של מסות. ב-LHC למשל, נרשמים בכל שנייה כ-40 מיליון אירועי אינטראקציה בשנייה לפני סינון. הצפי הוא שהמספר הרב ביותר של מדידות יתקבל סביב האנרגיה המתאימה לחלקיק החזוי שכן שאר המדידות הן למעשה אוסף אקראי של תוצרים מתאימים אך מתהליכים שונים. את המדידות מתאימים לפונקציית כדור הבדולח שהיא פונקציית צפיפות הסתברות המורכבת מגאוסיאן וזנב מתחת לסף מסוים ובנוסף מתאימים פונקציה שנועדה לטפל במדידות הרקע מתהליכים שונים שמסתיימים באותם תוצרי דעיכה. המדידות צפויות להיות עם ערך תוחלת הזהה למסה של החלקיק התאורטי, וכך ניתן לאשש את קיומו. גלאי חלקיקים מספק בדרך כלל מידע על כל חלקיק שעובר דרכו ושיש לו אינטראקציה עמו. צורת פעולה שבה קצב מעבר החלקיקים נמוך דיו וניתן להבדיל בין האותות של חלקיקים בודדים נקראת "אופן פעולה בצורת פולסים" (pulse mode). כל פולס מספק את המידע שנוצר בעקבות האינטראקציה של החלקיק עם יחידות הגילוי. אם קצב מעבר החלקיקים גבוה יותר, הפולסים מתאחדים לקו רציף ויש צורך להפיק מהנתונים המצטברים מידע לגבי החלקיקים הבודדים באמצעות מיצוע. אופן פעולה כזה, הקרוי "אופן פעולה בצורת זרם" (current mode), מסובך יותר ומדויק פחות, ועל כן משתמשים בו רק כשאין אפשרות להתאים גלאי מהיר דיו או שאין צורך במדידת חלקיקים בודדים. כל גלאי ניתן לאפיון בעזרת מספר פרמטרים: יעילות - מספר הפולסים שנרשמו חלקי מספר החלקיקים הניתנים לגילוי שחלפו דרך הגלאי. יעילות נמוכה מ-100% נובעת מכך שאופי האינטראקציה בין החלקיק לאטומים בגלאי הוא קוונטי ולעיתים הוא מתרחש בהסתברות נמוכה למדי, בעיקר כשמדובר בחלקיקים נייטרליים. אם לא התרחשו מספיק אינטראקציות ייתכן שלא ייאסף בגלאי אות חזק דיו על מנת להירשם כפולס במוצא הגלאי. רוב הגלאים המודרניים עובדים ביעילות של 90% ומעלה. ניתן להגדיל את היעילות הכללית בעזרת הצבת מספר גלאים בזה אחר זה ודרישה שהחלקיק יתגלה על ידי חלק מהם. רזולוציה - סטיית התקן של המדידה מחולקת בערך הנמדד. לחלופין, ניתן להגדיר את הרזולוציה כ-רוחב חצי מקסימום של המדידה מחולק בערך הנמדד. הרזולוציה נקבעת כתוצאה מגורמים פיזיקליים, למשל רוחב החלקיק (רוחב פיק המסה של החלקיק), גורמים סטטיסטיים הנובעים ממספר האינטראקציות שהתרחשו ומאופי האינטראקציה, וגורמים הנובעים מהגלאי עצמו, למשל רעש פנימי בגלאי. ליניאריות - מדד לתגובת הגלאי כשחלקיקים בעלי תנע שונה או אנרגיה שונה עוברים דרכו. אם למשל הגלאי כויל בעזרת חלקיקים בעלי אנרגיה E, גלאי בעל מידת ליניאריות גבוהה ימדוד בקירוב אנרגיה בגודל nE, כאשר יעבור דרכו חלקיק שהאנרגיה שלו גדולה פי n. זמן מת - הזמן המינימלי בין מעבר של שני חלקיקים דרך הגלאי, כך שהגלאי יוכל לגלות את שניהם כחלקיקים נפרדים. אורכו של הזמן המת נקבע כתוצאה מהתהליכים הפיזיקליים שמתרחשים בגלאי וכתוצאה מזמן העיבוד של המעגל האלקטרוני הנלווה. היות שבדרך כלל קצב המעבר של החלקיקים דרך הגלאי הוא משתנה אקראי, הזמן המת יגרום לכך שחלק מהחלקיקים לא יתגלו. מאיץ LHC Glenn F.Knoll, "Radiation detection and Measurement", John Wiley & Sons, 1989. Konrad Kleinknecht, "Detectors for particle radiation", Cambridge university press, 1998. The Particle Detector BriefBook אודות גלאי חלקיקים באתר של particle data group מידע אודות גלאי חלקיקים המשמשים בניסויי מאיץ LHC