Что такое пузырьковая камера?

Пузырьковая камера - это устройство, используемое в физике для обнаружения заряженных частиц. Он был изобретен Дональдом Глейзером в 1952 году, и впоследствии он был удостоен Нобелевской премии за его изобретение. Хотя когда-то распространенный способ обнаружения частиц, пузырьковая камера в настоящее время используется не часто, в значительной степени из-за некоторых недостатков, которые становятся очевидными при работе с частицами с чрезвычайно высокой энергией.

Принцип, лежащий в основе пузырьковой камеры, а также большинства детекторов частиц, довольно прост. Это можно сравнить с наблюдением неба за следами самолетов. Даже если самолет пролетит так быстро, что вы не заметите его прохождения, вы увидите его след в течение некоторого времени, что позволит вам восстановить пройденный путь. Пузырьковая камера работает по схожему принципу: частицы оставляют след пузырьков, которые можно сфотографировать.

Сама камера заполнена некой прозрачной и нестабильной жидкостью, часто перегретой водородом. Жидкость перегревают, поддерживая ее под давлением и слегка высвобождая ее в момент введения частиц. Когда заряженные частицы пробиваются сквозь камеру, они заставляют жидкость кипеть, когда они проходят, создавая след пузырьков. Самим частицам требуется всего несколько наносекунд, чтобы пройти через камеру, но пузырьки расширяются в миллионы раз, обычно это занимает около 10 мс. В это время фотографии могут быть сделаны под разными углами, создавая трехмерное представление пути частицы.

Затем пузырьки удаляются путем создания давления в камере, и процедура повторяется со следующей партией частиц. Каждый набор фотографий делается за то, что мы могли бы считать коротким периодом времени, требующим всего несколько секунд каждая, но на самом деле это довольно долго по научным стандартам. Современные детекторы способны выполнять всю процедуру за миллисекунды, что позволяет документировать сотни или тысячи пакетов частиц за несколько секунд. Современные детекторы также захватывают изображения в цифровом виде, что облегчает их анализ и хранение.

В результате пузырьковая камера редко используется в современном обнаружении частиц. Другая проблема состоит в том, что, поскольку пузырьковые камеры довольно малы, они также не способны должным образом документировать столкновения частиц с высокой энергией, что еще больше снижает их полезность в современных экспериментах. Наконец, точка, в которой жидкость перегревается, должна точно совпадать с моментом, когда мгновенные частицы ударяются друг о друга, что практически невозможно координировать с частицами, имеющими чрезвычайно короткую продолжительность жизни.

Несмотря на их относительное устаревание, изображения из пузырьковых камер все еще весьма полезны для учебных целей. Поскольку они представляют собой фотографии физических следов, людям, как правило, гораздо легче понять, чем более сложные описания взаимодействий или других абстрактных данных. Студенты могут посмотреть на изображение, захваченное пузырьковой дорожкой, и точно увидеть взаимодействие различных частиц и то, как частицы распадаются в течение времени пребывания в камере. По этим причинам, хотя они широко не используются в передовых исследованиях, в пузырьковых камерах по-прежнему используются университетские лаборатории, а исторически сделанные фотографии часто встречаются в учебниках.