Detektor zderzaczy w Fermilab

W przypadku innych zastosowań „CDF” patrz CDF (ujednoznacznienie) .
Wilson Hall w Fermilabie
Część detektora CDF

Detektor , zderzaczy w eksperymentalnej współpracy Fermilab (CDF) bada zderzenia cząstek o wysokiej energii z Tevatronu byłego na świecie akceleratora cząstek o najwyższej energii . Celem jest odkrycie tożsamości i właściwości cząstek tworzących wszechświat oraz zrozumienie sił i interakcji między tymi cząstkami.

CDF to międzynarodowa współpraca, która w szczytowym okresie obejmowała około 600 fizyków (z około 30 amerykańskich uniwersytetów i laboratoriów krajowych oraz około 30 grup z uniwersytetów i laboratoriów krajowych z Włoch , Japonii , Wielkiej Brytanii , Kanady , Niemiec , Hiszpanii , Rosji , Finlandii , Francja , Tajwan , Korea i Szwajcaria ). Sam detektor CDF ważył około 5000 ton i miał około 12 metrów we wszystkich trzech wymiarach. Celem eksperymentu jest zmierzenie wyjątkowych zdarzeń spośród miliardów zderzeń cząstek , aby:

Tevatron zderzył protony i antyprotony przy energii środka masy około 2 TeV . Bardzo wysoka energia dostępna dla tych zderzeń umożliwiła wytworzenie ciężkich cząstek, takich jak kwark górny oraz bozony W i Z , które ważą znacznie więcej niż proton (lub antyproton ). Te cięższe cząstki zidentyfikowano na podstawie ich charakterystycznych rozpadów. Aparat CDF rejestrował trajektorie i energie elektronów, fotonów i hadronów świetlnych . Neutrina nie zarejestrowały się w aparacie, co doprowadziło do widocznego braku energii .

Istnieje inny eksperyment podobny do CDF o nazwie DØ , w którym detektor znajdował się w innym punkcie pierścienia Tevatron.

Historia CDF

Na Tevatronie w Fermilabie znajdowały się dwa detektory cząstek: CDF i DØ. CDF wyprzedził DØ jako pierwszy detektor na Tevatronie. Początki firmy CDF sięgają roku 1976, kiedy to firma Fermilab założyła dział zderzających się wiązek pod kierownictwem Jima Cronina . Dział ten koncentrował się na rozwoju zarówno akceleratora, który wytwarzałby zderzające się wiązki cząstek, jak i detektora, który analizowałby te zderzenia. Kiedy laboratorium rozwiązało ten dział pod koniec 1977 r., utworzyło Dział Detektorów Zderzeń pod kierownictwem Alvina Tollestrupa . W 1980 roku Roy Schwitters został zastępcą szefa CDF i KEK w Japonii, a do współpracy dołączyło Narodowe Laboratorium Frascati we Włoszech. Współpraca zakończyła raport z projektu koncepcyjnego dla CDF latem 1981 r., A budowa hali kolizyjnej rozpoczęła się 1 lipca 1982 r. Laboratorium poświęciło detektor CDF 11 października 1985 r., A CDF zaobserwował pierwsze kolizje proton-antyproton Tevatron 13 października 1985 r.

Z biegiem lat do CDF wprowadzono dwie główne aktualizacje. Pierwsza aktualizacja rozpoczęła się w 1989 roku, a druga w 2001 roku. Każda aktualizacja była uważana za „przebieg”. Przebieg 0 był przebiegiem przed jakimikolwiek aktualizacjami (1988-1989), Przebieg I po pierwszej aktualizacji, a Przebieg II po drugiej aktualizacji. Ulepszenia dla Run I obejmowały dodanie krzemowego detektora wierzchołków (pierwszy taki detektor zainstalowany w eksperymencie ze zderzaczem hadronów), ulepszenia centralnego systemu mionów, dodanie systemu śledzenia wierzchołków, dodanie centralnych komór preradiatora, oraz ulepszenia elektroniki odczytowej i systemów komputerowych. Run II obejmował ulepszenia centralnego systemu śledzenia, detektory przed deszczem i rozszerzenie zasięgu mionów.

CDF zbierał dane do czasu zamknięcia Tevatronu w 2011 roku, ale naukowcy CDF nadal analizują dane zebrane podczas eksperymentu.

Odkrycie kwarka górnego

Zdjęcie grupowe CDF Collaboration, 14 kwietnia 1994 r.。

Jednym z najsłynniejszych odkryć CDF jest obserwacja kwarka górnego w lutym 1995 r. Istnienie kwarka górnego postawiono hipotezę po obserwacji Upsilonu w Fermilab w 1977 r., Który okazał się składać z kwarka dolnego i anty-dolnego twaróg. Model Standardowy , który jest dziś najszerzej akceptowaną teorią opisującą cząstki i oddziaływania, przewidywał istnienie trzech generacji kwarków. Kwarki pierwszej generacji to kwarki górne i dolne, kwarki drugiej generacji są dziwne i urokliwe, a trzeciej generacji są kwarki górne i dolne. Istnienie kwarka dolnego utwierdziło fizyków w przekonaniu, że kwark górny istnieje. Kwark górny był ostatnim zaobserwowanym kwarkiem, głównie ze względu na jego stosunkowo dużą masę. Podczas gdy masy innych kwarków wahają się od 0,005 GeV (kwark górny) do 4,7 GeV (kwark dolny), masa kwarka górnego wynosi 175 GeV. Tylko Tevatron firmy Fermilab miał zdolność energetyczną do wytwarzania i wykrywania górnych par anty-górnych. Duża masa kwarka górnego spowodowała rozpad kwarka górnego niemal natychmiast, w ciągu 10-25 sekund , co niezwykle utrudnia jego obserwację. Model Standardowy przewiduje, że kwark górny może rozpadać się leptonowo na kwark dolny i bozon W. Ten bozon W może następnie rozpaść się na lepton i neutrino (t→Wb→ѵlb). Dlatego CDF pracował nad rekonstrukcją zdarzeń szczytowych, szukając w szczególności dowodów na istnienie kwarków dolnych, bozonów W neutrin. W końcu w lutym 1995 CDF miał wystarczająco dużo dowodów, aby powiedzieć, że „odkryli” kwark górny. 24 lutego eksperymentatorzy CDF i DØ jednocześnie przesłali artykuły do ​​Physical Review Letters opisujące obserwacje kwarka górnego. Obie kolaboracje ogłosiły odkrycie publicznie na seminarium w Fermilab 2 marca, a artykuły zostały opublikowane 3 kwietnia.

W 2019 roku Europejskie Towarzystwo Fizyczne przyznało nagrodę Europejskiego Towarzystwa Fizycznego Wysokich Energii i Fizyki Cząstek 2019 współpracy CDF i DØ „za odkrycie górnego kwarku i szczegółowy pomiar jego właściwości”.

Inne odkrycia i kamienie milowe

25 września 2006 roku CDF ogłosiło, że odkryło, że mezon B-sub-s szybko oscyluje między materią a antymaterią z szybkością 3 bilionów razy na sekundę, co jest zjawiskiem zwanym oscylacją B- Bbar .

8 stycznia 2007 r. współpraca CDF ogłosiła, że ​​dokonali najdokładniejszego na świecie pomiaru masy bozonu W w jednym eksperymencie. To dostarczyło nowych ograniczeń dotyczących możliwej masy nieodkrytego wówczas bozonu Higgsa .

7 kwietnia 2022 r. współpraca CDF ogłosiła w artykule opublikowanym w czasopiśmie Science , że dokonali najdokładniejszego pomiaru masy bozonu W w historii i stwierdzili, że jego rzeczywista masa jest znacznie wyższa niż masa przewidywana przez Standard Model.

Naukowcy CDF odkryli również kilka innych cząstek, w tym mezon B-sub-c (ogłoszony 5 marca 1998); bariony sigma-sub-b, bariony składające się z dwóch kwarków górnych i dolnego oraz dwóch kwarków dolnych i dolnego (ogłoszone 23 października 2006 r.); bariony kaskadowe b, składające się z kwarku dolnego, dziwnego i dolnego (odkryte wspólnie z DØ i ogłoszone 15 czerwca 2007 r.); oraz bariony omega-sub-b, składające się z dwóch kwarków dziwnych i kwarka dolnego (ogłoszone w czerwcu 2009).

Jak działa CDF

Aby fizycy mogli zrozumieć dane odpowiadające każdemu zdarzeniu, muszą zrozumieć elementy składowe detektora CDF i sposób jego działania. Każdy komponent wpływa na to, jak będą wyglądać dane. Dziś 5000-tonowy detektor znajduje się w B0 i analizuje miliony kolizji wiązek na sekundę. Detektor jest zaprojektowany w wielu różnych warstwach. Każda z tych warstw działa jednocześnie z innymi komponentami detektora, próbując oddziaływać z różnymi cząstkami, dając w ten sposób fizykom możliwość „zobaczenia” i zbadania poszczególnych cząstek.

CDF można podzielić na warstwy w następujący sposób:

  • Warstwa 1: rura promieniowa
  • Warstwa 2: Detektor krzemu
  • Warstwa 3: Centralny zewnętrzny moduł śledzący
  • Warstwa 4: magnes elektromagnetyczny
  • Warstwa 5: Kalorymetry elektromagnetyczne
  • Warstwa 6: Kalorymetry hadronowe
  • Warstwa 7: Detektory mionów

Warstwa 1: rura belki

Rura wiązki jest najbardziej wewnętrzną warstwą CDF. Rura wiązki to miejsce, w którym protony i antyprotony poruszające się z prędkością około 0,99996 c zderzają się czołowo. Każdy z protonów porusza się bardzo blisko prędkości światła z ekstremalnie wysokimi energiami. Podczas zderzenia większość energii zamienia się w masę. Pozwala to na anihilację protonów/antyprotonów w celu wytworzenia cząstek potomnych, takich jak górne kwarki o masie 175 GeV, znacznie cięższe niż oryginalne protony.

Warstwa 2: detektor krzemu

Silikonowy detektor wierzchołków CDF
Przekrój detektora krzemu

Wokół rury wiązki znajduje się krzemowy detektor. Ten detektor służy do śledzenia ścieżki naładowanych cząstek podczas ich przemieszczania się przez detektor. Detektor krzemowy zaczyna się w promieniu r = 1,5 cm od linii wiązki i rozciąga się do promienia r = 28 cm od linii wiązki. Detektor krzemowy składa się z siedmiu warstw krzemu ułożonych w kształcie beczki wokół rury wiązki. Krzem jest często używany w detektorach cząstek naładowanych ze względu na jego wysoką czułość, pozwalającą na wykrywanie wierzchołków i śledzenie w wysokiej rozdzielczości. Pierwsza warstwa krzemu, znana jako warstwa 00, to jednostronny detektor przeznaczony do oddzielania sygnału od tła nawet przy ekstremalnym promieniowaniu. Pozostałe warstwy są dwustronne i odporne na promieniowanie, co oznacza, że ​​warstwy są chronione przed uszkodzeniem radioaktywnym. Krzem działa w celu śledzenia ścieżek naładowanych cząstek przechodzących przez detektor poprzez jonizację krzemu. Gęstość krzemu w połączeniu z niską energią jonizacji krzemu umożliwiają szybkie przemieszczanie się sygnałów jonizacji. Gdy cząstka przemieszcza się przez krzem, jej pozycja zostanie zarejestrowana w 3 wymiarach. Detektor krzemowy ma rozdzielczość trafienia na ścieżkę 10 μm i rozdzielczość parametru uderzenia 30 μm. Fizycy mogą przyjrzeć się temu śladowi jonów i określić drogę, którą przebyła cząstka. Ponieważ detektor krzemu znajduje się w polu magnetycznym, krzywizna ścieżki przez krzem pozwala fizykom obliczyć pęd cząstki. Większa krzywizna oznacza mniejszy pęd i odwrotnie.

Warstwa 3: centralny zewnętrzny moduł śledzący (COT)

Poza detektorem krzemowym centralny zewnętrzny tracker działa podobnie jak detektor krzemowy, ponieważ służy również do śledzenia ścieżek naładowanych cząstek i jest również umieszczony w polu magnetycznym. COT nie jest jednak wykonany z silikonu. Krzem jest niezwykle drogi i niepraktyczny w zakupie w ekstremalnych ilościach. COT to komora gazowa wypełniona dziesiątkami tysięcy ułożonych warstwowo złotych drutów i argonem. W COT stosowane są dwa rodzaje przewodów: przewody sensoryczne i przewody polowe. Przewody czujnikowe są cieńsze i przyciągają elektrony, które są uwalniane przez gazowy argon podczas jego jonizacji. Przewody polowe są grubsze niż przewody czujnikowe i przyciągają jony dodatnie powstałe w wyniku uwolnienia elektronów. Jest 96 warstw drutu, a każdy drut jest oddalony od siebie o około 3,86 mm. Podobnie jak w detektorze krzemowym, kiedy naładowana cząsteczka przechodzi przez komorę, jonizuje gaz. Sygnał ten jest następnie przenoszony do pobliskiego przewodu, który jest następnie przesyłany do komputerów w celu odczytania. COT ma około 3,1 m długości i rozciąga się od r = 40 cm do r = 137 cm. Chociaż COT nie jest tak dokładny jak detektor krzemowy, COT ma rozdzielczość położenia trafienia 140 μm i rozdzielczość pędu 0,0015 (GeV/c) -1 .

Warstwa 4: magnes elektromagnetyczny

Magnes elektromagnetyczny otacza zarówno COT, jak i krzemowy detektor. Zadaniem solenoidu jest zakrzywianie trajektorii naładowanych cząstek w detektorze COT i krzemowym poprzez wytworzenie pola magnetycznego równoległego do wiązki. Solenoid ma promień r=1,5 m i długość 4,8 m. Krzywizna trajektorii cząstek w polu magnetycznym pozwala fizykom obliczyć pęd każdej z cząstek. Im większa krzywizna, tym mniejszy pęd i odwrotnie. Ponieważ cząstki mają tak dużą energię, potrzebny jest bardzo silny magnes, aby zakrzywić ścieżki cząstek. Solenoid to nadprzewodzący magnes chłodzony ciekłym helem. Hel obniża temperaturę magnesu do 4,7 K lub -268,45 °C, co zmniejsza rezystancję prawie do zera, umożliwiając magnesowi przewodzenie dużych prądów przy minimalnym nagrzewaniu i bardzo wysokiej wydajności oraz wytwarzanie silnego pola magnetycznego.

Warstwy 5 i 6: kalorymetry elektromagnetyczne i hadronowe

Kalorymetry określają ilościowo całkowitą energię cząstek, przekształcając energię cząstek w światło widzialne za pomocą scyntylatorów polistyrenowych. CDF wykorzystuje dwa rodzaje kalorymetrów: kalorymetry elektromagnetyczne i kalorymetry hadronowe. Kalorymetr elektromagnetyczny mierzy energię cząstek światła, a kalorymetr hadronowy mierzy energię hadronów. Centralny kalorymetr elektromagnetyczny wykorzystuje naprzemienne arkusze ołowiu i scyntylatora. Każda warstwa ołowiu ma około 20 mm ( 3 / 4 cala) szerokości. Ołów służy do zatrzymywania cząstek przechodzących przez kalorymetr, a scyntylator służy do ilościowego określania energii cząstek. Kalorymetr hadronowy działa w podobny sposób, z wyjątkiem kalorymetru hadronowego, w którym zamiast ołowiu zastosowano stal. Każdy kalorymetr tworzy klin, który składa się zarówno z kalorymetru elektromagnetycznego, jak i kalorymetru hadronowego. Te kliny mają długość około 2,4 m (8 stóp) i są rozmieszczone wokół solenoidu.

Warstwa 7: detektory mionów

Ostatnia „warstwa” detektora składa się z detektorów mionów. Miony to naładowane cząstki, które mogą powstawać podczas rozpadu ciężkich cząstek. Te wysokoenergetyczne cząstki prawie nie wchodzą w interakcje, więc detektory mionów są strategicznie rozmieszczone w najdalszej warstwie od rury wiązki, za dużymi stalowymi ścianami. Stal zapewnia, że ​​do komór mionowych przedostają się tylko cząstki o bardzo wysokiej energii, takie jak neutrina i miony. Istnieją dwa aspekty detektorów mionów: płaskie komory dryfowe i scyntylatory. Istnieją cztery warstwy płaskich komór dryfowych, każda z możliwością wykrywania mionów o poprzecznym pędzie p T > 1,4 GeV/c. Te komory dryfowe działają w taki sam sposób jak COT. Są wypełnione gazem i drutem. Naładowane miony jonizują gaz, a sygnał jest przenoszony do odczytu przewodami.

Wniosek

Zrozumienie różnych elementów detektora jest ważne, ponieważ detektor określa, jak będą wyglądać dane i jakiego sygnału można się spodziewać dla każdej z cząstek. Należy pamiętać, że detektor to w zasadzie zestaw przeszkód służących do wymuszania interakcji cząstek, pozwalających fizykom „zobaczyć” obecność określonej cząstki. Jeśli naładowany kwark przechodzi przez detektor, dowodem tego kwarka będzie zakrzywiona trajektoria w detektorze krzemowym i zdeponowana energia COT w kalorymetrze. Jeśli neutralna cząstka, taka jak neutron, przejdzie przez detektor, w COT i detektorze krzemowym nie będzie śladu, ale zdeponowana energia w kalorymetrze hadronowym. Miony mogą pojawiać się w detektorze COT i krzemowym oraz jako zdeponowana energia w detektorach mionowych. Podobnie neutrino, które rzadko, jeśli w ogóle, wchodzi w interakcje, wyraża się tylko w postaci brakującej energii.

Dalsza lektura

  • Światy w atomie, artykuł National Geographic, maj 1985

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Collider_Detector_at_Fermilab&oldid=1137091663 ”