荷電粒子の検出

数日前の続きで、今日は荷電粒子をどうやって検出するのかという話です。

荷電粒子は物質中を通過すると、荷電粒子ですから物質を構成する分子あるいは原子と電磁相互作用を起こします。その電磁相互作用によって物質が電離されるので、荷電粒子の通過線上に沿ってプラスイオンと電子が生成されます。そのイオン、あるいは電子を検出すれば、荷電粒子の飛跡がわかるというわけです。荷電粒子と相互作用を起こさせる物質（＝センサー）に電位差をかけておけば、電離されて生成されたイオン、あるいは電子を集めることができ、電流が流れ、電気信号として観測できます。素粒子物理実験でよく使われるセンサーは、大きく分けるとガスとシリコンなどの半導体の2種類です。

ガスを使う場合は、密閉容器中にガスを入れ、かつその容器の中に電極となるワイヤーを張ります。ワイヤー間に適当な方法で電圧をかけておけば、先に説明したように、荷電粒子の通過に伴いワイヤーに電流が流れます。細かな説明は省きますが、ガスの電離具合を上手く調整すれば、荷電粒子の通過した飛跡に沿ってだけガスを電離させることができるので、ワイヤーを複数張っておけば、どのワイヤーに電流が流れたかで粒子の通過位置を測定することができます。

シリコンなどの半導体を使う場合も原理はガスのときと全く一緒です。センサー中で生成されたイオンや電子を集めることで電気信号を生成、粒子がどこを通ったのか測定します。検出器の一つ一つを小さくすればするほど、より高精度で粒子の通過位置を測定できので、ピクセルをより微細にするというのは検出器の測定精度を上げるための単純で重要な原理です。デジカメで高解像度を得るために単位面積あたりのピクセル数を増やす（＝一つ一つのピクセルを小さくする）のと同じですね。ただし、一般のデジカメで捉えるのは荷電粒子ではなく光（による光電効果）だということは数日前にお話しました。

物質との相互作用は同じく電磁相互作用を使いますが、その反応を電気信号ではなく光として検出するものの代表例にシンチレータというものがあります。分子あるいは原子が荷電粒子との相互作用で励起され、その後基底状態に戻る際に、励起状態と基底状態とのエネルギー差に相当するエネルギーを持った光が放出されることをシンチレーションと呼びます。凄くあっさり書いていますが、実際には励起だけでなく電離があったり、エネルギー状態が複雑だったりと色々あります。まあ、その辺の細かいことは忘れて、そういうシンチレーション光を出す物質（＝シンチレータ）をセンサーとして使い、さらにその光を検出する装置をシンチレータに付けておけば、粒子が通ればシンチレーション光を検出することで、粒子を捕まえることができるというわけです。私たちが使う光検出器の代表例がPMTと呼ばれるものや、フォトダイオードです。

他にも荷電粒子の検出方法・原理はあるのですが、今日はその代表例を説明してみました。ATLAS実験はもちろん、ほとんどの素粒子実験で、上記の原理を利用した検出器が使われています。