Канал "Популярная наука" Камера Вильсона в московском планетарии (короткие: от α-частиц, длинные: от β-частиц)

Бозон в тумане

Статьи о Большом адронном коллайдере часто иллюстрируют полувековой давности снимками треков — траекторий элементарных частиц в пузырьковых камерах: белые лучи на черном фоне, «вилки» и спирали. Физики-ядерщики такие камеры еще недавно использовали очень широко.

Первой в 1911-м изобрели не пузырьковую, а туманную камеру, или камеру Вильсона. Идея в своей основе была на удивление простой. Саму частицу не сфотографируешь, но можно снять шлейф из капелек тумана, который она оставляет за собой в толще перенасыщенной смеси паров (обычно это смесь водяного пара с парами этанола). При температуре ниже точки росы пару достаточно сколь угодно слабого воздействия, чтобы начать конденсироваться. Частица, прилетевшая из космоса или ускорителя, на своем пути возбуждает отдельные молекулы пара, которые становятся центрами конденсации для сотен тысяч других молекул. К слову, примерно таков же механизм образования облака в атмосфере: в разреженном воздухе, где собрался перенасыщенный пар, пылинки диаметром в несколько микрон достаточно, чтобы вокруг нее выросла огромная (по меркам микромира) водяная капля.

Дональд Глейзер, будущий нобелевский лауреат, в 1952-м вывернул эту схему наизнанку: он взял не переохлажденный пар, а перегретую жидкость (жидкость становится перегретой, если резко уменьшить давление, тогда ее температура оказывается выше температуры кипения). Она на порядки плотнее газа, поэтому шансы столкнуться с веществом у частицы, влетевшей в такую камеру, резко возрастали. Она оставляет уже не шлейф из тумана, а дорожку из пузырьков. Пузырьковые камеры заправляли жидким водородом, который кипит при –252,78 °C. Поддерживать в камере такую температуру — сложная техническая задача.

След (или трек) может многое рассказать о частице. Длина трека дает представление о ее энергии. Каждое столкновение уменьшает эту энергию на небольшую порцию, пока наконец частица не потеряет способность ионизировать молекулы — в этом месте трек обрывается. Магнит, спрятанный под камерой, закручивает траектории заряженных частиц в спирали, по кривизне которых можно судить о соотношении массы и заряда. Нестабильные частицы распадаются, а родившиеся при этом новые разлетаются под строго определенными углами, образуя «вилки».

По таким следам в пузырьковой камере Gargamelle, установленной на ускорителе в CERN'е, «выследили» переносчиков слабых взаимодействий — знаменитые W- и Z-бозоны. Несколько Нобелевских премий и создание Стандартной модели напрямую связаны с этим открытием.
...

Окончание.

Физики-ядерщики по большей части уже отправили туманные и пузырьковые камеры в утиль: на современных экспериментальных установках частицы фиксируют уже с помощью не фотоаппаратов, а суперкомпьютеров, подключенных к полупроводниковым детекторам внушительных размеров. Но приборы вроде туманных камер, простые и эффективные, не умерли окончательно, а перекочевали в любительскую науку. Если современные детекторы частиц поражают размерами и ценой (например, ATLAS, детектор Большого адронного коллайдера, — конструкция высотой с девятиэтажный дом и весом 7000 тонн), то туманную камеру (точнее, ее аналог, работающий по сходному принципу) легко собрать своими руками. Спирт (как источник пара), сухой лед (чтобы этот пар охладить), пластиковый ящик, темная бумага — и можно наблюдать треки космических мюонов, не выходя из дому.

Рисунок
Чтобы проследить за движением элементарной частицы, надо заставить ее провзаимодействовать с какой-то средой — перегретой жидкостью или переохлажденным паром. Пролетая сквозь такую среду, частица оставляет след (трек). На снимке, полученном с пузырьковой камеры (она помещена в магнитное поле), видны три типа треков: прямые — их оставили незаряженные частицы, спирали — это следы заряженных частиц , отклонившихся в магнитном поле, и вилки, отвечающие распавшимся частицам

@sfyrat, если я не ошибаюсь, искривление происходит под воздействием магнитного поля.

А почему линии настолько кривые?