エネルギーがどこへ行くのか

高エネルギーの素粒子のエネルギーを測定することは、素粒子物理学の新たな発見への入り口となります。イ・セウク、ジョン・ハウプトマンそしてリチャード・ウィグマンズ熱量計の最近の開発がこの分野の進歩にどのように役立っているかを説明する

素粒子物理学者は、約 70 年間、さまざまなタイプの熱量計を使用してきました。 これらの主力機器の基本原理は簡単です。そのアイデアは、電子、陽子、中性子などの素粒子、およびパイオンやカオンなどの人工的に生成された素粒子を、密度の高い媒体に送り込むことによって、そのエネルギーを測定することです。交流する。 各相互作用により、より低いエネルギーでより多くの粒子が生成され、媒体とも相互作用し、元の粒子のエネルギーが完全に使い果たされるまでプロセスが続きます。 相互作用媒体に電荷感知検出器を散在させ、記録された信号を合計することにより、初期粒子の全エネルギーの測定値を得ることができます。

上の画像は、高エネルギー電子によって引き起こされる粒子の「シャワー」を示しています。 ここでは、シャワーの荷電粒子 (電子と反電子、つまり陽電子) が、サンプリング熱量計と呼ばれる古典的なタイプの熱量計である霧箱を介して可視化されます。 これらの粒子シャワーの発生は非常にランダムです。 シャワー内で生成される粒子の数 N は、開始粒子のエネルギー E の直接の尺度です。 N はポアソン分布に従うため、N のランダムな変動は √N に等しくなります。したがって、エネルギー分解能である N の相対精度は √N/N になります。 エネルギー分解能は、σE/E ≈ k/√E という単純な式です。 この霧箱熱量計は、E を GeV 単位で表すと k ≈ 85% になります (参考までに、陽子の静止質量エネルギーは約 1 GeV)。 最新の電磁サンプリング熱量計の場合、k は通常 10% 以上です。

これらの粒子は電磁力を介して相互作用し、許容される相互作用は 2 つだけであるため、電子エネルギーは熱量計で簡単に測定できます。 対照的に、強い核力にさらされる粒子（陽子、中性子、パイオン、カオンなど、総称してハドロンとして知られています）は、核の分裂と核結合エネルギーに消費されるエネルギーに関連する追加の複雑さを伴い、多数の広範囲に変動するメカニズムを通じて相互作用します。 。

ハドロンのシャワーの非常に複雑な様子を図 1 に示します。この図は、500 GeV の陽子が銅の吸収体に入るシミュレーション (CERN コード GEANT4 を使用して作成) の結果を示しています。 荷電ハドロンは青色で示され、電子と陽電子は赤色で示されます。 視覚的には、色の強度は粒子によって失われるエネルギー量を示し、熱量計によって生成される信号を表します。

このようなシャワー中の粒子相互作用は、素粒子物理学の複雑だが非常に重要な研究分野であり、CERN R&D プロジェクト RD52 では、新しいタイプの熱量計を使用して研究を行っています (プロジェクトの完全な結果は、www.phys で入手できます) ttu.edu/~dream では、銅吸収体の陽子によって誘発されたハドロンシャワーの集合を見ることができます。 これらの「二重読み出し」装置は銅または鉛でできており、2 種類の光ファイバーが散りばめられています。1 つはすべての荷電粒子を感知するシンチレーションファイバー、もう 1 つはシャワーの電子と陽電子によって主にチェレンコフ光が生成される透明なファイバーです。 シャワーからのこれら 2 つのまったく異なる信号は、ハドロン エネルギーの非常に正確な測定値を抽出するために組み合わせて使用​​されます。これには、最も重要なことに、次のような基本的な相互作用で生成されるクォークまたはグルーオンの断片化から生じる粒子の「ジェット」のエネルギーが含まれます。これらはCERNの大型ハドロン衝突型加速器や世界中の他の施設で研究されたものです。

これらの粒子ジェットを測定するために特別に設計された熱量計を図 2 に示します。熱量計は、銅の吸収体に均一に散在する 1.5 mm の中心に直径 1 mm のファイバーで構成されています。 この吸収体のサイズは、電子とハドロンの特徴的な相互作用距離によって決まります。 電子が相互作用してより多くの粒子を生成する距離は放射長と呼ばれ、ほとんどの金属 (銅を含む) では約 1 センチメートルです。 ハドロンが相互作用する対応する距離は、核相互作用長として知られています。 これはかなり長く、通常 20 ～ 30 cm であり、ハドロンシャワーを完全に吸収するにはいくつかの核相互作用の長さが必要です。 その違いは、図 1 のシミュレートされたシャワーで明らかです。これは、青色に帯電したハドロンが相互作用する前に長距離を移動することを示しています。 赤色の電子と陽電子は、はるかに短いスケールで明らかに相互作用します。 体積全体にわたって明らかなごま塩のような赤い点は、低エネルギー (約 1 MeV) 光子のコンプトン散乱による電子であり、このエネルギーで相互作用するための最小断面積を持ち、したがって熱量計内で空間的に広がります。