Пластина ядерной эмульсии — это тип детектора частиц , впервые использованный в экспериментах по ядерной физике и физике элементарных частиц в первые десятилетия 20-го века. [1] [2] [3] Это модифицированная форма фотопластинки , которую можно использовать для регистрации и исследования быстрых заряженных частиц, таких как альфа-частицы , нуклоны , лептоны или мезоны . После экспонирования и проявления эмульсии треки одиночных частиц можно наблюдать и измерять с помощью микроскопа.
Пластина с ядерной эмульсией представляет собой модифицированную форму фотопластинки , покрытой более густой фотографической эмульсией желатина , содержащей более высокую концентрацию очень мелких зерен галогенида серебра ; точный состав эмульсии оптимизируется для обнаружения частиц.
Его основным преимуществом является чрезвычайно высокая пространственная точность и разрешение, ограниченное только размером зерен галогенида серебра (субмикронные ) ; точность и разрешение, превосходящие даже лучшие современные детекторы частиц (обратите внимание на масштаб распада К-мезона на изображении ниже).
Стопка эмульсионных пластин, эффективно образующих блок эмульсии, может регистрировать и сохранять взаимодействия частиц, так что их траектории записываются в трехмерном пространстве как след зерен галогенида серебра, который можно рассматривать с любой стороны на экране. микроскопический масштаб. [3] Кроме того, эмульсионная пластина представляет собой интегрирующее устройство, которое можно экспонировать или облучать до тех пор, пока не будет накоплено желаемое количество данных. Он компактен, не требует кабелей считывания или электроники, что позволяет устанавливать пластины в очень ограниченном пространстве и, по сравнению с другими детекторными технологиями, значительно дешевле в производстве, эксплуатации и обслуживании. Эти особенности сыграли решающую роль в проведении исследований космических лучей на высоте, в горах и на воздушных шарах, что привело к открытию пи-мезона [4] [5] и распадов заряженных К-мезонов, нарушающих четность ; [6] пролили свет на истинную природу и масштабы субъядерного « зоопарка частиц », определив веху в развитии современной экспериментальной физики элементарных частиц . [1]
Главный недостаток ядерной эмульсии состоит в том, что это плотный и сложный материал ( серебро , бром , углерод , азот , кислород ), который потенциально препятствует полету частиц к другим компонентам детектора из-за многократного рассеяния и ионизирующих потерь энергии. Наконец, обработка и сканирование больших объемов эмульсии для получения полезных трехмерных оцифрованных данных в прошлом было медленным и трудоемким процессом. Однако недавние разработки в области автоматизации процесса могут преодолеть этот недостаток. [7]
Эти недостатки в сочетании с появлением новых технологий детекторов частиц и ускорителей частиц привели к сокращению использования пластин ядерной эмульсии в физике элементарных частиц к концу 20-го века. [1] Однако сохраняется продолжающееся использование метода при изучении редких процессов и в других отраслях науки, например, авторадиографии в медицине и биологии.
Всестороннее и технически подробное описание предмета можно найти в книгах Баркаса [3] и Пауэлла, Фаулера и Перкинса. [2] Подробный обзор истории и более широкого научного контекста метода ядерной эмульсии можно найти в книге Галисона. [8]
После открытия в 1896 году радиоактивности Анри Беккерелем [ 9] с использованием фотоэмульсии Эрнест Резерфорд , работавший сначала в Университете Макгилла в Канаде, затем в Манчестерском университете в Англии, был одним из первых физиков, применивших этот метод для детального изучения. излучение, испускаемое радиоактивными материалами. [10] В 1905 году он использовал коммерчески доступные фотографические пластинки, чтобы продолжить свои исследования свойств недавно открытых альфа-лучей , образующихся при радиоактивном распаде некоторых атомных ядер . [10] Это включало анализ потемнения фотопластинок, вызванного облучением альфа-лучами . Это затемнение стало возможным благодаря взаимодействию множества заряженных альфа-частиц , составляющих лучи, с зернами галогенида серебра в фотоэмульсии, которые стали видимыми благодаря фотографическому проявлению . Резерфорд призвал своего коллегу-исследователя из Манчестера Киношиту Суекити [11] более детально исследовать фотографическое действие альфа -частиц .
Киношита включил в свои цели «проверить, вызывает ли одна 𝛂-частица детектируемое фотографическое событие». Его метод заключался в том, чтобы подвергнуть эмульсию воздействию хорошо измеренного радиоактивного источника, для которого была известна скорость излучения 𝛂-частиц. Он использовал эти знания и относительную близость пластины к источнику, чтобы вычислить количество 𝛂-частиц, которые, как ожидается, пройдут через пластину. Он сравнил это число с количеством проявленных зерен галогенидов, которые он подсчитал в эмульсии, принимая во внимание « фоновое излучение », которое привело к образованию дополнительных «не-альфа» зерен при воздействии. Он завершил этот исследовательский проект в 1909 году [12] , показав, что «приготовив эмульсионную пленку из очень мелких зерен галогенида серебра и используя микроскоп с большим увеличением, можно применить фотографический метод для подсчета 𝛂-частиц». с значительной точностью». [13] Это был первый случай наблюдения отдельных заряженных частиц с помощью фотоэмульсии. [1] Однако это было обнаружение столкновений отдельных частиц, а не наблюдение расширенной траектории частицы. Вскоре после этого, в 1911 году, Макс Рейнганум [14] показал, что при прохождении 𝛂-частицы при скользящем падении через фотоэмульсию при проявлении эмульсии образуется ряд зерен галогенида серебра, очерчивающих траекторию 𝛂-частицы. ; первое зарегистрированное наблюдение протяженного трека частиц в эмульсии. [15] [1]
Следующими шагами, естественно, было бы применение этой техники для обнаружения и исследования других типов частиц, включая космические лучи , недавно открытые Виктором Гессом в 1912 году. Однако прогресс был остановлен началом Первой мировой войны в 1914 году. Вопрос улучшения характеристик обнаружения частиц стандартными фотографическими эмульсиями для обнаружения других типов частиц — протоны, например, производят около четверти ионизации, вызываемой 𝛂-частицей [16] — был снова поднят различными физическими исследовательские лаборатории в 1920-е годы. [1]
В частности , Мариетта Блау , работавшая в Институте исследования радия в Вене в Австрии , начала в 1923 году исследовать альтернативные типы фотоэмульсионных пластин для регистрации протонов, известных в то время как «H-лучи».
Она использовала радиоактивный источник 𝛂-частиц для облучения парафина , имеющего высокое содержание водорода. 𝛂-частица может столкнуться с ядром водорода (протоном), выбивая этот протон из воска и попадая в фотоэмульсию, где он оставляет видимый след из зерен галогенида серебра. После многих испытаний, используя различные пластины и тщательно защищая эмульсию от нежелательного излучения, ей удалось впервые наблюдать следы протонов в ядерной эмульсии. [17]
Используя гениальный пример нестандартного мышления, она применила аналогичный метод, чтобы впервые наблюдать воздействие нейтронов в ядерной эмульсии. Будучи электрически нейтральным, нейтрон, конечно, не может быть непосредственно обнаружен в фотоэмульсии, но если он сталкивается с протоном в эмульсии, этот отдающийся протон можно зарегистрировать. [18] Она использовала этот метод для определения энергетического спектра нейтронов, образующихся в результате конкретных процессов ядерных реакций. Она разработала метод определения энергии протонов путем измерения плотности открытых зерен вдоль их дорожек (быстрые минимально ионизирующие частицы взаимодействуют с меньшим количеством зерен, чем медленные частицы). Чтобы более точно записывать длинные треки быстрых протонов, она привлекла британского производителя пленки Ilford (теперь Ilford Photo ) для сгущения эмульсии на своих коммерческих пластинах и экспериментировала с другими параметрами эмульсии — размером зерна, сохранением скрытого изображения, условиями проявления — чтобы улучшить видимость треков альфа-частиц и быстрых протонов. [19]
В 1937 году Мариетта Блау и ее бывшая ученица Герта Вамбахер обнаружили звезды ядерного распада (Zertrümmerungsterne) вследствие расщепления ядерных эмульсий, подвергшихся воздействию космического излучения, на высоте 2300 м на Хафелекаршпитце над Инсбруком . [20] Это открытие произвело сенсацию в мире физики ядерных и космических лучей, что привлекло внимание более широкой аудитории к методу ядерной эмульсии. Но начало политических волнений в Австрии и Германии, приведших ко Второй мировой войне , внезапно остановило прогресс Мариетты Блау в этой области исследований . [21] [22]
В 1938 году немецкий физик Вальтер Гейтлер , сбежавший из Германии в качестве научного беженца, чтобы жить и работать в Англии, находился в Бристольском университете, исследуя ряд теоретических тем, включая образование потоков космических лучей . Он упомянул Сесилу Пауэллу , который в то время рассматривал возможность использования камер Вильсона для обнаружения космических лучей, [23] [8], что в 1937 году два венских физика, Блау и Вамбахер, экспонировали фотографические эмульсии в австрийских Альпах и видели следы протонов низкой энергии, а также «звезды» или ядерный распад, вызванный космическими лучами.
Это заинтриговало Пауэлла, который убедил Гейтлера поехать в Швейцарию с партией полутоновых эмульсий Илфорда [24] и выставить их на Юнгфрауйохе на высоте 3500 м. В письме в журнал Nature в августе 1939 года они смогли подтвердить наблюдения Блау и Вамбахера. [25] [26] [27]
Хотя война решительно остановила исследования космических лучей в Европе между 1939 и 1945 годами, в Индии Дебендра Мохан Бозе и Бибха Чоудхури , работавшие в Институте Бозе в Калькутте , предприняли серию высотных экспериментов на вершинах гор, используя фотографическую эмульсию для обнаружения и анализировать космические лучи. Эти измерения были примечательны тем, что впервые в истории обнаружили мюоны фотографическим методом: кропотливый анализ Чоудхури свойств наблюдаемых треков, включая плотности зерен экспонированных галогенидов с корреляциями дальности и многократного рассеяния, показал, что обнаруженные частицы имеют массу примерно в 200 раз больше. электрона — тот же «мезотрон» (позже «мю-мезон», ныне мюон ), открытый в 1936 году Андерсоном и Неддермейером с помощью камеры Вильсона . Расстояние и обстоятельства лишили Бозе и Чоудхури относительно легкого доступа к производителям фотопластинок, доступных Блау, а затем Хейтлеру, Пауэллу и др. Это означало, что Бозе и Чоудхури пришлось использовать стандартные коммерческие полутоновые эмульсии, а не ядерные эмульсии. специально разработаны для обнаружения частиц, что делает еще более замечательным качество их работы. [28] [29] [30] [31] [32]
Следуя этим разработкам, после Второй мировой войны Пауэлл и его исследовательская группа в Бристольском университете сотрудничали с Илфордом (ныне Ilford Photo ) для дальнейшей оптимизации эмульсий для обнаружения частиц космических лучей. Илфорд произвел концентрированную эмульсию для «ядерных исследований», содержащую в восемь раз больше обычного количества бромида серебра на единицу объема (см. Внешнюю ссылку на «Ядерные эмульсии Илфорда»). Группа Пауэлла сначала откалибровала новые эмульсии для «ядерных исследований», используя генератор/ускоритель Кокрофта-Уолтона Кембриджского университета , который предоставил частицы искусственного распада в качестве зондов для измерения требуемых соотношений пробега и энергии для заряженных частиц в новой эмульсии. [33]
Впоследствии они использовали эти эмульсии, чтобы сделать два самых значительных открытия в физике 20-го века. Сначала в 1947 году Сесил Пауэлл , Сезар Латтес , Джузеппе Оккиалини и Хью Мюрхед ( Бристольский университет ), используя пластинки, подвергнутые воздействию космических лучей в обсерватории Пик-дю-Миди в Пиренеях и отсканированные Ирен Робертс и Мариеттой Курц , открыли заряженный пи- мезон . [4]
Во-вторых, два года спустя. В 1949 году, анализируя пластинки, выставленные в обсерватории Сфинкс на Юнгфрауйохе в Швейцарии, первые точные наблюдения положительного К-мезона и его «странных» распадов были сделаны Розмари Браун, студенткой-исследователем Сесила Пауэлла . группа в Бристоле. [6] Точное измерение этих мод распада K-мезона , известных тогда как «Тау-мезон» в головоломке Тау-тета, привело к введению квантовой концепции странности и к открытию нарушения четности в слабом взаимодействии . Розмари Браун назвала поразительное изображение четырехдорожечной эмульсии [1] одного «Тау», распадающегося на три заряженных пиона, своим «К-треком», таким образом фактически назвав недавно открытый «странный» К-мезон . Сесил Пауэлл был удостоен Нобелевской премии по физике 1950 года «за разработку фотографического метода изучения ядерных процессов и открытия, касающиеся мезонов, сделанные с помощью этого метода».
Появление новых технологий детекторов частиц и ускорителей частиц в сочетании с недостатками, отмеченными во введении, привело к сокращению использования пластин ядерной эмульсии в физике элементарных частиц к концу 20-го века. [1] Однако продолжали использовать метод при изучении редких взаимодействий и процессов распада. [34] [35] [36] [37] [38]
Совсем недавно поиски « Физики за пределами Стандартной модели », в частности изучение нейтрино и темной материи в их чрезвычайно редких взаимодействиях с обычной материей, привели к возрождению этого метода, включая автоматизацию обработки изображений эмульсии. [7] Примерами являются эксперимент OPERA , [39] по изучению нейтринных осцилляций в Лаборатории Гран-Сассо в Италии и эксперимент FASER в CERN LHC , который будет искать новые, легкие и слабо взаимодействующие частицы, включая темные фотоны . [40]
Существует ряд областей науки и техники, где нашла применение способность ядерной эмульсии точно регистрировать положение, направление и энергию электрически заряженных частиц или интегрировать их эффект. Эти приложения в большинстве случаев включают отслеживание имплантированных радиоактивных маркеров с помощью авторадиографии . Примеры:
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )