Кіріспе

Физикада уақыт проекция камерасы (ТПК) – бөлшектің траекториясын немесе өзара әрекеттесуін үш өлшемді қалпына келтіру үшін электр және магнит өрістерінің үйлесімін, газ немесе сұйықтың сезімтал көлемін пайдаланатын бөлшектерді анықтау құралының бір түрі.

Бастапқы жоба

Түпнұсқалық ТТК-ны америкалық физик Дэвид Р. Найгрен 1970-ші жылдардың аяғында Лоренс Беркли зертханасында ойлап тапты. Оның алғашқы маңызды қолданылуы PEP 4 детекторында болды, ол SLAC-те PEP сақтау сақинасындағы 29 ГэВ электрон-позитрон соқтығысуларын зерттеді. Уақыт проекция камерасы – электр өрісінде газбен толтырылған, позицияға сезімтал электрон жинау жүйесі бар детекциялық көлем. Бастапқы дизайн (және ең көп қолданылатыны) – цилиндрлік камера, оның екі шетінде көп сымдық пропорционалды камералар (MWPC) орналасқан. Камераның бойымен орталықтағы жоғары кернеулі электрод дискісі арқылы екіге бөлінеді, ол орталық және шеткі пластиналар арасында электр өрісін құрайды. Сонымен қатар, газдың иондануынан туындаған электрондардың таралуын азайту үшін цилиндр бойымен, электр өрісіне параллель магнит өрісі жиі қолданылады. Детектор газы арқылы өтетін бөлшек өзінің траекториясы бойымен бастапқы иондануды тудырады. z координатасы (цилиндр осі бойымен) иондану оқиғасынан MWPC-ге дейінгі дрейф уақытын өлшеу арқылы анықталады. Бұл әдеттегі дрейф камерасының әдісімен жасалады. MWPC-нің шетіндегі анод сымдары азимуттық бағытта (θ) орналасқан, бұл радиалды координата (r) туралы ақпарат береді. Азимуттық бағытты алу үшін әрбір катод жазықтығы радиалды бағытта жолақтарға бөлінеді. Соңғы жылдары позицияға сезімтал электронды күшейту және анықтаудың басқа да тәсілдері кеңінен қолданыла бастады, әсіресе ядролық физикада уақыт проекция камераларының қолданылуының артуымен байланысты. Бұл әдетте сегменттелген анодтық пластинаны Фриш торымен немесе газды электронды көбейтуші сияқты белсенді электронды көбейту элементімен біріктіреді. Бұл жаңа TPC-лер сонымен қатар, осьтік өрісі бар цилиндрдің дәстүрлі геометриясынан бас тартып, сұйық аргон детекторларында толық сіңіру калориметриясын күшейтпестен жүргізуге мүмкіндік беретін жазық геометрияны пайдаланады. Бұл маңызды технология Нигреннің бастапқы дизайнына негізделген уақыт проекция камерасын жасауға мүмкіндік берді, бірақ газдың орнына сезімтал орта ретінде сұйық аргонды қолдануға болатындығын көрсетті. 1976 жылы Герберт Х. Чен, Калифорния университетінің (Ирвин) және Калифорния технология институтының әріптестерімен бірге, сұйық аргонды уақыт проекция камерасында (LArTPC) қолданудың алғашқы ұсыныстарының бірін жасады. Ченнің мұндай детектормен бастапқы мақсаты нейтрино электрондарының шашырауын зерттеу болды, бірақ мақсаттар күн немесе ғарыштық нейтриноларды немесе протондардың ыдырауын өлшеуге қарай өзгерді. 1977 жылы Карло Руббия тәуелсіз және шамамен бір уақытта CERN-де сирек оқиғалар физикасы эксперименттері үшін LArTPC құруды ұсынды. Аргонның инерт газ екендігі және демек, электронегативтілігінің жоқтығы, иондаушы сәулелену арқылы туындаған электрондар детектордың оқу бөлігіне қарай дрейфтегенде сіңірілмейтінін білдіреді. Сондай-ақ, аргон энергиялы зарядталған бөлшектер өткенде сцинтилляциялайды, өткен бөлшек аргонға қанша энергия депозіттегеніне пропорционалды санда сцинтилляциялық фотондарды шығарады. Керісінше, жинақтау жазықтығының сигналдары бірполярлы болады, өйткені электрондар сымнан өтпейді, олар оған "жинақталады". Бұл геометриялардың екеуінде де сигнал амплитудасының жоғарылауы дрейфтік электрондардың сымнан өткенін (индукциялық жазықтықтар үшін) немесе оған жинақталғанын (жинақтау жазықтығы үшін) көрсетеді. Белгілі бір анод жазықтығындағы барлық сымдардың сигнал оқуын бөлшектердің өзара әрекеттесуінің 2D суретіне жинақтауға болады. Мұндай сурет – бұл көрсетілген анод жазықтығындағы сымдарға параллель нормальдық векторы бар 3D бөлшектердің өзара әрекеттесуінің 2D жазықтықтағы проекциясы. Әрбір анод жазықтығына сәйкес келетін 2D проекциялар 3D өзара әрекеттесуді толыққанды қалпына келтіру үшін біріктіріледі.

Екі фазалы ТТК

Бұл техника алғаш рет 1970-ші жылдардың басында аргонды қолдана отырып, сәулеленуді анықтау үшін жасалған. ZEPLIN бағдарламасы WIMP іздеулері үшін екі фазалы технологияны пайдалануды алғаш рет енгізді. XENON және LUX детекторлар сериясы физикадағы осы құралдың ең жетілген нұсқаларын ұсынады.

Қара материяның уақыт проекция камерасы

Қара материяның уақыт проекция камерасы – әлсіз өзара әрекеттесетін массивті бөлшектерді (WIMP) тікелей анықтауға арналған эксперимент, бұл қара материяның ең перспективті кандидаттарының бірі. Эксперимент потенциалды қара материя оқиғаларының бастапқы бағытын анықтау үшін төмен қысымды уақыт проекция камерасын пайдаланады. Ынтымақтастыққа Массачусетс технология институтының (MIT), Бостон университетінің (BU), Брандейс университетінің және Лондон Корольдік Холлоуэй университетінің физиктері кіреді. MIT және BU зертханаларында бірнеше прототиптік детекторлар құрастырылып, сынақтан өтті. Ынтымақтастық 2010 жылдың күзінде Нью-Мексико штатының Карлсбад қаласының жанындағы Қалдықтарды оқшаулау пилоттық орналымындағы (WIPP) жер асты зертханасында алғашқы деректерді жинады. Қара материяның уақыт проекция камерасы 2010 жылы жер үстіндегі сынақтардың алғашқы нәтижелерін жариялады, спинге тәуелді қима шегін белгіледі.