XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
КАМЕРА ВИЛЬСОНА – ДЕТЕКТОР КОСМИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Одна из самых великих загадок человечества — это загадка рождения нашей Вселенной. Современная наука стоит на грани открытия этой великой тайны.
С древних времен люди любовались звездным небом, под звездами загадывали желания, объяснялись в любви, рождались и умирали. Наиболее пытливые умы пытались понять, сколько звезд на небе, как далеко они от нас. Потом придумали телескопы, чтобы лучше видеть звезды. Люди искали созвездия на небе и называли эти созвездия красивыми именами. По звездам ориентировались в своих путешествиях и даже составляли гороскопы.
Ученые тоже смотрят на звездное небо. Они вооружены мощными телескопами и видят сотни миллиардов галактик и звездных скоплений и знают, что каждая из галактик содержит сотни миллиардов звезд.
И конечно, ученых волнуют те же самые вопросы, что и нас с вами: «Из чего состоят звезды и планеты?», «Из чего мы состоим, и что нас окружает?», «Что есть элементарные кирпичики нашей материи?», «Какие сценарии дальнейшего развития нашей Вселенной и нас самих?».
Ответы на все эти вопросы дает наука. Главная ценность фундаментальной науки — это новые знания. Новые знания мы получаем, когда мы исследуем окружающий нас мир, когда мы ставим различные опыты и эксперименты, и когда мы пытаемся достичь и узнать что-то новое.
Учеными были созданы устройства, помогающие заглянуть в глубь материи. Одним из таких устройств является камера Вильсона, которая сыграла огромную роль при изучении строения вещества. С помощью камеры был сделан ряд важнейших открытий в области ядерной физики и физики элементарных частиц.
Цель: определение типов элементарных частиц по их трекам, зафиксированных с помощью собранной камеры Вильсона.
Задачи:
ознакомиться с базовыми принципами работы современных экспериментальных установок;
собрать камеру Вильсона;
зафиксировать следы (треки) физических частиц и определить по их форме тип частицы;
провести сравнительный анализ двух камер: пузырьковой и Вильсона, описать их преимущества, отличия и способы применения;
результаты эксперимента представить в виде видеосюжета.
Гипотеза:
При создании условий, максимально приближенных к наблюдениям в реальной камере Вильсона, можно увидеть следы (треки) элементарных частиц.
Объект исследования: элементарные частицы, наблюдаемые в камере Вильсона.
Предмет исследования: треки элементарных частиц, наблюдаемых в камере Вильсона.
Методы исследования: общенаучные; эмпирические - наблюдение, сравнение, эксперимент; аналитические.
Теоретическая часть
2.1. Методы детектирования элементарных частиц
Вопрос о составе атома оставался открытым долгое время. Для проведения исследований были необходимы устройства и методы, позволяющие регистрировать как отдельные частицы и ядра, так и исследовать их взаимодействие с веществом. Такие устройства были названы детекторами. Наиболее часто встречающиеся детекторы — это дискретные и трековые [1].
Дискретные детекторы позволяют сосчитать пролетающие частицы и определить их энергию. Трековые детекторы позволяют наблюдать и фотографировать следы частиц (треки) в рабочем объёме детектора. Рассмотрим принцип действия некоторых из них.
Газоразрядный счётчик Гейгера-Мюллера - является одним из дискретных детекторов, служащий для автоматического счёта частиц. Используют в основном для регистрации β-частиц, но существуют модели для регистрации и гамма-излучений.
Принцип действия счетчика основан на ударной ионизации. Заряженная частица, пролетая в газе, ионизирует его атомы. Электрическое поле напряжением порядка 500 В между катодом и анодом ускоряет электроны до энергии, необходимой для ионизации газа. Возникает лавина несамостоятельного разряда, видимая (если баллон прозрачный) даже невооружённым глазом. В цепи проходит импульс тока, в том числе через резистор, который регистрируется считывающим устройством. До пролёта частицы всё напряжение от источника сосредоточено между катодом и анодом. Как только пойдёт ток, основная часть напряжения перераспределится на резистор, а малое оставшееся напряжение между нитью и катодом не сможет поддерживать разряд, и он прекратится. Таким образом, счётчик снова готов к регистрации других частиц.
К дискретным методам регистрации частиц относится опыт Резерфорда по рассеиванию альфа-частиц — это метод сцинтилляций. Суть данного метода состоит в следующем. На экран наносится тонкий слой сернистого цинка. Если об этот экран ударяется частица, то она вызывает на экране вспышку света, которую можно рассмотреть в лупу или микроскоп. По числу таких вспышек можно, например, подсчитать число альфа-частиц, испускаемых радиоактивным веществом за определённый промежуток времени.
В современных сцинтилляционных счётчиках регистрация световых вспышек производится с помощью приборов, в которых за счёт явления фотоэффекта энергия световой вспышки преобразуется в импульс электрического тока, который усиливается и затем регистрируется.
2. 2. Камера Вильсона
Практически все счётчики позволяют лишь регистрировать факт прохождения частицы и фиксировать некоторые её характеристики. Наиболее наглядная и точная информация о процессах микромира получается с помощью камеры Вильсона и пузырьковой камеры. В них заряженная частица оставляет трек, наблюдаемый визуально или фотографируемый.
В 1912 году Чарлз Вильсон изобрёл прибор для наблюдения и фотографирования следов (или треков) заряженных частиц - туманную камеру [4]. Камера состоит из цилиндрического сосуда, верхние стенки которого сделаны из прозрачного материала. Внутри цилиндра находится подвижный поршень, покрытый тёмной тканью, смоченной спиртом или водой. При быстром (адиабатном) расширении воздух в камере охлаждается и пар становится пересыщенным. Если в этот момент в камере пролетает заряженная частица, то вдоль её траектории образуется цепочка ионов, которые становятся центрами конденсации пересыщенного пара, образуется трек, аналогично следу за реактивным самолётом в небе. При освещении трек становится видимым на чёрном фоне и фотографируется. Вид трека на фотоснимке часто позволяет судить о природе частицы и величине её энергии. Так, альфа-частицы оставляют сравнительно толстый сплошной след, протоны - более тонкий, а электроны - пунктирный.
Советские физики Пётр Леонидович Капица и Дмитрий Владимирович Скобельцын предложили размещать камеру Вильсона в магнитном поле, под действием которого траектории частиц искривляются в ту или иную сторону в зависимости от знака заряда. Зная магнитную индукцию поля, можно определить отношение заряда частицы к её массе. В своё время Резерфорд назвал камеру Вильсона «самым оригинальным и изумительным инструментом в истории науки».
В 1952 году для регистрации процессов с частицами больших энергий американским физиком Дональдом Глазером была изобретена пузырьковая камера, в которой рабочим веществом является жидкость (например, жидкий водород или пропан).
Сравнительный анализ пузырьковой и камеры Вильсона представлен в приложении 6.
2. 3. Базовые принципы работы современных экспериментальных установок
Новые «элементарные» частицы можно получить в результате взаимодействия ускоренных на ускорителях частиц или частиц космических лучей с частицами вещества. Основными источниками пробных частиц в субатомных экспериментах являются ускорители. Ускоритель позволяет сформировать пучок пробных частиц с требуемыми для эксперимента характеристиками. Для ряда экспериментов необходим пучок поляризованных частиц, то есть частиц, спины которых направлены определенным образом относительно их импульса. В ускорителях, предназначенных для изучения частиц, могут ускоряться античастицы (позитроны, антипротоны).
Ускорители различаются типом ускоряемых частиц, характеристиками пучка, а также конструкцией. Наиболее распространены ускорители электронов и протонов, поскольку пучки этих частиц приготовить проще всего. Есть ускорители более тяжелых частиц - дейтронов (ядер дейтерия 2H), α‑частиц (4He), а также ионов других ядер, в том числе и тяжёлых, таких как свинец. Современные ускорители высокой энергии имеют системы генерации пучков вторичных частиц - каонов (K+K−), пионов (π±), мюонов (μ±), нейтрино (ν), антинейтрино ( ) и др.
В ускорителях увеличение энергии заряженных частиц происходит под действием электрического поля, направленного вдоль импульса частицы.
Полученные на ускорителе пучки направляются на неподвижную мишень. Характер взаимодействия частиц определяется энергией столкновения частиц в системе центра инерции. Происходит это потому, что налетающая частица вносит в систему наряду с энергией и определенный импульс. Поэтому при столкновении релятивистской частицы с покоящейся в лабораторной системе частицей основная часть энергии переходит в кинетическую энергию продуктов реакции. В связи с этим была выдвинута и реализована идея встречных пучков - столкновение двух пучков частиц, движущихся навстречу друг другу с одинаковыми энергиями и импульсами.
2.4. Последние разработки в ядерной физике. Ускорительный комплекс NICA
Информативность любого эксперимента определяется возможностями тех детекторов, которые в нём используются. История ядерной физики и физики частиц — это, по существу, история создания новых методов регистрации частиц. Создание новых методов детектирования частиц неоднократно отмечалось Нобелевскими премиями.
В международном научном центре Объединенный институт ядерных исследований в Дубне, в Подмосковье, усилиями 26 стран мира сооружается огромная физическая установка, которая называется сверхпроводящий коллайдер NICA [2].
Эта установка позволит в лаборатории создать условия, при которых материю, из которой мы с вами состоим, можно исследовать в экстремальных состояниях - в том самом состоянии, в котором она была на самом раннем этапе рождения нашей Вселенной.
Коллайдер NICA (Приложение 1) нацелен на решение следующих задач: исследование сжатой горячей барионной материи, изучение фазового перехода между ядерной материй и кварк-глюонной плазмой, поиск критической точки на фазовой диаграмме. Так же будут решаться и прикладные задачи: облучение и тестирование микроэлектроники для космических аппаратов, исследования в области углеродной терапии рака, воздействие космического излучения на живые организмы, создание сверхпроводящих накопителей энергии.
Практическая часть
3.1. Техника безопасности
При работе с сухим льдом и изопропиловым спиртом мы использовали: термостойкие перчатки, нитриловые перчатки, респиратор, защитные очки, халат.
Сухой лед — это замерзший диоксид углерода, температура которого составляет -78,5оС. Вещество не тает, а переходит в газообразное состояние, выделяя СО2. Образующийся газ тяжелее воздуха. Он скапливается в невентилируемых пространствах, замещая кислород и вызывая удушье. Это следует учитывать при работе с материалом.
Главная опасность изопропанола в том, что при попадании в организм он быстро преобразуется в ацетон, то есть становится смертельно опасным.
3.2. Необходимое оборудование
Для сборки камеры нам понадобилось [3, 5]:
сухой лед;
контейнер (пенопласт);
ковш для набора сухого льда;
изопропиловый спирт;
стеклянный аквариум (объем 6 л, размер 170х170х215 мм);
перчатки нитриловые и термозащитные, защитные очки, респиратор;
черный фетр;
неодимовые магниты для крепления фетра на стекло;
железный поддон с бороздками/уплотнителем;
шприц;
фонарик;
фото-видеосъемка производилась на камеру телефона Samsung Galaxy s21 с разрешением камеры 12 Мп.
3.3. Этапы эксперимента. Сборка камеры Вильсона
Основные этапы сборки камеры Вильсона (Приложение 2):
0 этап: подготовка оборудования для сборки камеры;
1 этап: сборка основания камеры;
2 этап: создание экрана(объёма) камеры;
3 этап: сборка камеры.
3.4. Эксперимент по наблюдению треков заряженных частиц
Для проведения эксперимента по наблюдению треков элементарных частиц произведем сборку камеры Вильсона.
Пенопластовый контейнер наполним сухим льдом и разместим на нем основание камеры. С помощью неодимовых магнитов прикрепляем фетр на дно стеклянного куба и пропитываем его изопропиловым спиртом. Размещаем экран (объем) в прорезиненных пазах основания, пропитываем стык изопропиловым спиртом для герметичности. После этого ждем, когда воздух внутри камеры насытится парами спирта. Для ускорения процесса наверху камеры размещаем чашку с горячей водой. Для лучшей визуализации треков прикрепляем к боковой стенке камеры черный фетр.
В ходе эксперимента в нижней части камеры образуется характерный туман, напоминающий моросящий дождь. Подсвечиваем нижний край камеры фонариком. Сквозь туман на черном фоне хорошо заметны треки частиц. По форме треков мы сделали предположения о типах элементарных частиц, наблюдаемых в камере.
В режиме реального времени нами был снят процесс образования треков элементарных частиц (к работе прилагается видеосюжет https://disk.yandex.ru/i/AqJddBHmBZqy7A). Фотографии треков представлены в приложениях 3-5.
Результаты и анализ эксперимента:
с помощью фото-видеосъёмки нам удалось получить фотографии треков, а также видео, на котором запечатлены несколько следов прохождения частиц (Приложение 3 - 5);
фото - видеосъемка производилась на камеру телефона Samsung Galaxy s 21 с разрешением камеры 12 Мп;
мы наблюдали разного типа заряженные частицы, об этом свидетельствовали различные формы треков. Так как мы производили наблюдения с аппаратурой с незначительным разрешением, то можем только выдвинуть гипотезы о частицах, которым принадлежат данные треки;
предположительно мы наблюдали продукты естественной радиоактивности - альфа - частицы (распад радона из воздуха) - это короткие толстые треки; бета-частицы - электроны, извилистые треки; и мюоны, прилетающие из глубин космоса со всех направлений, взаимодействуя с ядрами атомов и образуя вторичные мюоны высоких энергий, которые как раз и доходят до поверхности земли и попадают в нашу камеру (т. к. они слабо взаимодействуют с др. частицами).
Заключение
Нам удалось собрать камеру Вильсона.
Пронаблюдать и сделать фото и видеосъемку треков различных заряженных космических частиц, таким образом подтвердить нашу гипотезу.
Ознакомится с правилами техники безопасности при работе с сухим льдом.
Предположительно определили тип наблюдаемых элементарных частиц.
Литература.
Кабардин О. Ф., Глазунов А. Т., Орлов В. А., Пинский А. А., Малинин А. Н. Физика. 11 класс. Учебник. Углубленный уровень Издательство: Просвещение стр. 321-323.
Видео «NICA Complex» (Источник: ООО Интер Графика)
https://nplus1.ru/blog/2018/01/23/DIY-cloud-chamber. Детектор своими руками
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B0%D0%BC%D0%B5%D1%80%D0%B0_%D0%92%D0%B8%D0%BB%D1%8C%D1%81%D0%BE%D0%BD%D0%B0 Камера Вильсона
https://usamodelkina.ru/18098-shkolnaja-kamera-vilsona-svoimi-rukami.html Школьная камера Вильсона своими руками
Приложение 1
Ускорительный комплекс NICA
Приложение 2
О сновные этапы сборки камеры Вильсона
Приложение 3
Частицы с длинными треками
Приложение 4
Частицы с короткими треками
Приложение 5
Частицы с искривленными треками
Приложение 6