Mikä on kuplakammio?

Kuplakammio on laite, jota käytetään fysiikassa varautuneiden hiukkasten havaitsemiseksi. Sen keksi Donald Glaser vuonna 1952, ja hänelle myönnettiin myöhemmin Nobel -palkinto keksinnöstä. Vaikka kuplikammio on yleisin tapa havaita hiukkasia, sitä ei tällä hetkellä käytetä usein, suurelta osin joidenkin haittojen vuoksi, jotka ilmenevät käsiteltäessä erittäin suuren energian hiukkasia.

Kuplakammion ja useimpien hiukkasilmaisimien periaate on melko yksinkertainen. Sitä voidaan ajatella analogisena taivaan katsomiseen lentokoneiden jälkeistä poluista. Vaikka suihkukone kulkee niin nopeasti, ettet huomaa sen kulkua, näet sen jäljen jonkin aikaa, jolloin voit rekonstruoida sen kulkeman polun. Kuplakammio toimii samalla periaatteella, ja hiukkaset jättävät kuplien jäljen, jota voidaan kuvata.

Itse kammio on täynnä jonkinlaista läpinäkyvää ja epävakaata nestettä, usein ylikuumennettua vetyä. Neste kuumentuu pitämällä sitä paineen alaisena ja vapauttamalla sitä hieman hiukkasten lisäämisen hetkellä. Kun varautuneet hiukkaset kulkevat kammion läpi, ne aiheuttavat nesteen kiehumisen kulkiessaan ja muodostavat kuplien jäljen. Hiukkasilla itsellään kuluu vain muutama nanosekunti kammion läpi, mutta kuplien laajeneminen kestää miljoonia kertoja kauemmin, yleensä noin 10 ms. Tuona aikana valokuvia voidaan ottaa eri kulmista ja luoda kolmiulotteinen esitys hiukkaspolusta.

Kuplat poistetaan sitten paineistamalla kammio ja menettely toistetaan seuraavan hiukkaserän kanssa. Jokainen valokuvasarja on otettu lyhyessä ajassa, joka voi kestää vain muutaman sekunnin, mutta tämä on tieteellisten standardien mukaan todella pitkä. Nykyaikaiset ilmaisimet pystyvät suorittamaan koko toimenpiteen millisekunneissa, jolloin satoja tai tuhansia hiukkaspurskeita voidaan dokumentoida muutamassa sekunnissa. Nykyaikaiset ilmaisimet sieppaavat kuvia myös digitaalisesti, mikä helpottaa niiden analysointia ja tallentamista.

Tämän seurauksena kuplikammiota käytetään harvoin nykyaikaisessa hiukkastentunnistuksessa. Toinen ongelma on se, että koska kuplakammiot ovat melko pieniä, ne eivät myöskään kykene dokumentoimaan oikein suurienergisten hiukkasten törmäyksiä, mikä vähentää entisestään niiden hyödyllisyyttä nykyaikaisissa kokeissa. Lopuksi pisteen, jossa neste ylikuumenee, on oltava täsmälleen sama kuin hetkellisten hiukkasten osuessa toisiinsa, mikä voi olla lähes mahdotonta koordinoida hiukkasten kanssa, joiden käyttöikä on erittäin lyhyt.

Suhteellisesta vanhenemisesta huolimatta kuplakammioiden kuvat ovat edelleen varsin hyödyllisiä opetustarkoituksiin. Koska ne ovat valokuvia fyysisistä poluista, niitä on yleensä paljon helpompi ymmärtää kuin monimutkaisempia vuorovaikutusten kuvauksia tai muita abstrakteja tietoja. Oppilaat voivat katsoa kuplareitistä otettua kuvaa ja nähdä tarkasti eri hiukkasten vuorovaikutukset ja kuinka hiukkaset hajoavat kammion aikana. Näistä syistä, vaikka niitä ei käytetä laajalti huippututkimuksessa, kuplakammioissa käytetään edelleen joitakin yliopistojen laboratorioita, ja historiallisesti otetut valokuvat näkyvät usein oppikirjoissa.