Kako napraviti kućni detektor čestica?

Čuli ste za hadronski sudarač čestica u CERN-u. U pitanju je, zapravo, veći broj sudarača i akceleratora različitih namena koji, kao što znamo, rade na veoma visokim energijama. Eksperimenti 20-vekovne fizike nisu izgledali na način na koji danas izgledaju. Pre bismo ih mogli opisati kao “kuhinjske eksperimente”, relativno jednostavnog dizajna. Međutim, neki od najprodornijih uvida u fizici 20. veka, dobijeni su upravo iz takvih eksperimenata.

Kako radi maglena komora?

U ovom tekstu otkrićemo vam kako da napravite detektor čestica kod kuće. Nemojte očekivati da ćete, na ovaj način, detektovati solarne neutrine ili dati dobru jednačinu teorije svega. Maglena komora može da vam posluži kao potvrda o interakciji određenih čestica i način da, eventualno, impresionirate neku devojku.

Maglena komora je detektor čestica koji postoji od 1938. godine. Radi na principu stvaranja oblaka od isparenog alkohola, koji je izuzetno osetljiv na prolazak čestica. Kosmički zraci koji neprestano udaraju u atmosferu zemlje, pri sudaru sa česicama atmosfere stvaraju “tuš” čestica koje dospevaju do zemljine površine. Kada kosmički zraci prođu kroz oblak alkohola, formiraju se vidljivi tragovi njihovog prisustva.

Da biste ovo isprobali, daćemo vam detaljno uputstvo kako da izgradite svoju maglenu komoru. Od materijala će vam biti potrebni:

• Čista staklena ili plastična kada (na primer, akvarijum), sa čvrstim plastičnim ili metalnim poklopcem.
• Filc
• Izopropil alkohol od 90% i više (nosite zaštitne naočare kada rukujete alkoholom!)
• Suvi led (smrznuti ugljen- dioksid; Koristite rukavice!)

Koraci:

1. Isecite filc da bude veličine akvarijuma i zalepite ga na dno akvarijuma
2. Kada ste zalepili filc, natopite ga alkoholom dok ne bude dobro zasićen, potom višak ocedite
3. Stavite poklopac na vrh suvog leda tako da stoji ravno
4. Okrenite kutiju naopako, tako da dno prekriveno filcom bude na vrhu i postavite otvor kutije na vrh poklopca
5. Sačekajte oko 10 minuta, a potom ugasite svetlo i uperite lampu u komoru

Šta se dešava?

Alkohol koji je apsorbovao filc na je sobnoj temperaturi i počinje da isparava. Ispareni alkohol tone ka suvom ledu, hladi se i teži da se ponovo pretvori u tečnost. Vazduh blizu dna rezervoara postaje prezasićen, što znači da je sada tik ispod atmosferske tačke rose. Atmosferski alkohol će, poput rose, formirati kapljice nalik oblaku i kačiti se za šta god može.

Kada čestica dospe u komoru i udari u neki od ovih atmosferskih molekula, izbija neke od njihovih elektorna, pretvarajući molekule u naelektrisane jone. Atmosferski alkohol privlači ovakve jone i, zajedno sa njima, formira sitne kapljice. Dobijeni tragovi izgledaju kao trag aviona i označavaju put čestice kroz vašu komoru.

Vratimo se, na trenutak, savremenim fizičkim eksperimentima! Na sličan način kao što se iz “potpisa” sudara čestica u sudaraču može posredno zaključivati o nekim drugim česticama i interakcijama, u maglenoj komori se potpisi, takođe, razlikuju. Neke od tragova koji se u maglenoj komori mogu pokazati rastumačićemo vam u sledećim redovima.

Kratki debeli tragovi

Kada vidite ovakve tragove, u pitanju je redak atmosferski atom radona, koji izbacuje alfa česticu (2 protona i 2 neutrona). Ove čestice su “krupne” i niskoenergetske i ostavljaju kratke, masne tragove.

Nekada ćete, možda, opaziti duge, prave trake. U pitanju je “teži” rođak elektrona- mion (zajedno spadaju u grupu leptona).  Nastaju udarom kosmičkih zraka u molekule višeg dela atmosfe. Pošto se, tako masivni, udaraju kroz vazduh, u komori ostavljaju duge, čiste tragove.

Ako vidite vrludave tragove (kao na gornjoj slici), imate posla sa elektronom ili pozitronom! Oni nastaju udarom kosmičkih zraka u molekule atmosfere, a kada udaraju u molekule vazduha, ove lagane čestice odbijaju se i ostavljaju uvijeni trag.

Poslednji tip interakcije ilustruje raspad neke čestice (na slici vidimo podeljene trake). Nestabilne čestice imaju tendenciju raspada u stabilnije. Možda vam je, iz fizike, poznat “beta raspad”: tip radioaktivnog raspada atomskih jezgara pod dejstvom slabe sile. Beta raspad izračuje elektron ili pozitron, bez promene atomske mase, prelazeći u drugi hemijski element.

Izvor: symmetry magazine