Гаргамель
Гаргамель — тяжелой жидкости с пузырьковой камерой детектор , работавший в ЦЕРНе в период с 1970 по 1979 год. Он был разработан для обнаружения нейтрино и антинейтрино , которые были произведены с помощью луча протонного синхротрона ( ПС ) в период с 1970 по 1976 год, прежде чем детектор был перенесен в Суперпротонный синхротрон ( СПС ). [1] В 1979 году в пузырьковой камере была обнаружена непоправимая трещина, и детектор был выведен из эксплуатации. В настоящее время он является частью выставки «Микрокосм» в ЦЕРН, открытой для публики.
Гаргамель известен тем, что был экспериментом, в ходе которого были открыты нейтральные токи . Обнаруженные в июле 1973 года нейтральные токи стали первым экспериментальным свидетельством существования Z. 0 бозона и, следовательно, важный шаг на пути к проверке электрослабой теории .
Гаргамель может относиться как к самому детектору пузырьковой камеры, так и по физике высоких энергий к одноименному эксперименту . Само название происходит от романа Франсуа Рабле , XVI века «Жизнь Гаргантюа и Пантагрюэля» в котором великанша Гаргамель является матерью Гаргантюа. [1]
Предыстория [ править ]
В серии отдельных работ в 1960-х годах Шелдон Глэшоу , Стивен Вайнберг и Абдус Салам разработали теорию, которая объединила электромагнитное и слабое взаимодействие между элементарными частицами — электрослабое взаимодействие — за что они разделили Нобелевскую премию по физике 1979 года . [2] Их теория предсказала существование W ± и З 0 бозоны как распространители слабого взаимодействия . Вт ± бозоны имеют электрический заряд, либо положительный (W + ) или отрицательный (W − ), З 0 , однако, не имеет заряда. Обмен Z 0 бозон передает импульс , спин и энергию частицы , но оставляет неизменными квантовые числа — заряд, аромат , барионное число , лептонное число и т. д. Поскольку перенос электрического заряда отсутствует, обмен Z 0 называется « нейтральным током ». Нейтральные токи были предсказанием электрослабой теории.
В 1960 году Мелвин Шварц предложил метод получения энергичного пучка нейтрино . [3] Такой луч затем был использован Шварцем и другими в эксперименте в 1962 году в Брукхейвене , который показал, что существуют разные типы нейтрино: мюонные нейтрино и электронные нейтрино . За это открытие Шварц получил Нобелевскую премию по физике 1988 года . [4] До идеи Шварца слабые взаимодействия изучались только при распаде элементарных частиц, особенно странных . Использование этих новых пучков нейтрино значительно увеличило энергию, доступную для изучения слабого взаимодействия. Гаргамель был одним из первых экспериментов, в которых использовался пучок нейтрино, создаваемый пучком протонов из PS.
Пузырьковая камера — это просто контейнер, наполненный перегретой жидкостью. Заряженная частица, проходя через камеру, оставляет ионизационный след, вокруг которого жидкость испаряется, образуя микроскопические пузырьки. Вся камера находится под постоянным магнитным полем, вызывающим искривление дорожек заряженных частиц. Радиус кривизны пропорционален импульсу частицы. Треки фотографируются, и, изучая их, можно узнать о свойствах обнаруженных частиц. Пучок нейтрино, прошедший через пузырьковую камеру Гаргамеля, не оставил следов в детекторе, поскольку нейтрино не имеют заряда. Поэтому взаимодействия с нейтрино были обнаружены путем наблюдения частиц, образующихся в результате взаимодействия нейтрино с составляющими материи. Нейтрино имеют чрезвычайно малые сечения , т. е. вероятность взаимодействия очень мала. В то время как пузырьковые камеры обычно заполнены жидким водородом , Гаргамель была наполнена тяжелой жидкостью — CBrF 3 (Фреон) — увеличивает вероятность наблюдения нейтринных взаимодействий. [1]
Концепция и строительство [ править ]
В 60-е годы область физики нейтрино бурно развивалась. Нейтринные эксперименты с использованием пузырьковых камер уже проводились на первом синхротроне ЦЕРН, PS, и вопрос о следующем поколении пузырьковых камер уже некоторое время стоял на повестке дня. Андре Лагарриг , уважаемый физик Политехнической школы в Париже , и некоторые из его коллег написали первый опубликованный отчет, датированный 10 февраля 1964 года, в котором предлагалось построить камеру для тяжелых жидкостей под наблюдением ЦЕРН. [5] Он сформировал коллаборацию, состоящую из семи лабораторий: Политехнической школы Парижа , RWTH Ахена , ULB Брюсселя , Института физики Миланского университета , LAL Orsay , Университетского колледжа Лондона и ЦЕРН. [6] Группа встретилась в Милане в 1968 году, чтобы перечислить физические приоритеты эксперимента: сегодня Гаргамель славится открытием нейтральных токов, но при подготовке программы по физике эта тема даже не обсуждалась, и в окончательном предложении она причислена к категории пятый по приоритету. [7] В то время не было единого мнения относительно электрослабой теории, которая могла бы объяснить список приоритетов. Кроме того, в более ранних экспериментах по поиску нейтральных токов при распаде нейтрального каона на два заряженных лептона были измерены очень малые пределы - около 10 −7 .
Из-за бюджетного кризиса эксперимент не был одобрен в 1966 году, вопреки ожиданиям. Виктор Вайскопф , генеральный директор ЦЕРН , и Бернар Грегори , научный директор, решили выделить деньги самостоятельно, причем последний предложил ЦЕРН ссуду для покрытия взноса, причитающегося за 1966 год. [5] Окончательный контракт был подписан 2 декабря 1965 года, что стало первым случаем в истории ЦЕРН, когда инвестиции такого рода были одобрены не советом, а Генеральным директором, использующим свои исполнительные полномочия.
Комната Гаргамеля была полностью построена в Сакле . Хотя строительство было отложено примерно на два года, наконец, он был собран в ЦЕРН в декабре 1970 года, а первый важный запуск состоялся в марте 1971 года. [5]
Экспериментальная установка [ править ]
Палата [ править ]
Гаргамель имел длину 4,8 метра и диаметр 2 метра и вмещал 12 кубических метров тяжелого жидкого фреона. Чтобы искривить следы заряженных частиц, Гаргамель окружили магнитом, создающим поле силой в 2 Тесла. Катушки магнита были сделаны из меди, охлажденной водой, и повторяли продолговатую форму Гаргамели. Чтобы поддерживать жидкость при достаточной температуре, корпус камеры окружен несколькими водяными трубками для регулирования температуры. Вся установка весила более 1000 тонн.
При записи события камера освещалась и фотографировалась. Система освещения излучала свет, который рассеивался пузырьками под углом 90° и направлялся в оптику. Источник света представлял собой 21 точечную вспышку, расположенную на концах корпуса камеры и на половине цилиндра. [8] Оптика располагалась в противоположной половине цилиндра и располагалась в два ряда, параллельных оси камеры, по четыре оптики в каждом ряду. Объектив представлял собой совокупность линз с угловым полем зрения 90°, за которыми следовала рассеивающая линза, расширяющая поле зрения до 110°.
Пучок нейтрино [ править ]
Гаргамель был разработан для обнаружения нейтрино и антинейтрино. Источником нейтрино и антинейтрино служил пучок протонов с энергией 26 ГэВ из ПС. Протоны извлекались магнитом, а затем направлялись через соответствующую группу квадрупольных и дипольных магнитов, обеспечивая необходимую степень свободы в положении и ориентации для наведения луча на мишень. Мишень представляла собой цилиндр из бериллия длиной 90 см и диаметром 5 мм. [8] Материал мишени был выбран таким образом, чтобы адроны, образующиеся при столкновении, представляли собой в основном пионы и каоны , которые оба распадаются на нейтрино. Образующиеся пионы и каоны имеют различные углы и энергии, и, следовательно, продукт их распада также будет иметь огромный разброс по импульсу. Поскольку нейтрино не имеют заряда, их нельзя фокусировать электрическими или магнитными полями. Вместо этого вторичные частицы фокусируются с помощью магнитного рупора , изобретенного нобелевским лауреатом Саймоном ван дер Меером . Форму рупора и силу магнитного поля можно настроить так, чтобы выбрать диапазон частиц, которые необходимо сфокусировать лучше всего, в результате чего при распаде каонов и пионов образуется сфокусированный пучок нейтрино с выбранным диапазоном энергий. Поменяв направление тока через рупор, можно было бы создать пучок антинейтрино . Гаргамель пробегал попеременно в пучке нейтрино и антинейтрино. Изобретение Ван дер Меера увеличило поток нейтрино в 20 раз. Пучок нейтрино имел энергию от 1 до 10 ГэВ.
После фокусировки пионы и каоны были направлены через туннель длиной 70 м, где они распались. Нераспавшиеся пионы и каоны ударились об экран в конце туннеля и были поглощены. При распаде пионы и каоны обычно распадаются по направлениям π → µ + ν и K → µ + ν , а это означает, что поток нейтрино будет пропорционален потоку мюонов. Поскольку мюоны не поглощались как адроны, поток заряженных мюонов останавливался в результате процесса электромагнитного замедления в длинной защите. Поток нейтрино измерялся через соответствующий поток мюонов с помощью шести плоскостей кремниево-золотых детекторов, расположенных на различной глубине в защите. [8]
В течение 1971-1976 годов были достигнуты значительные улучшения в интенсивности, во-первых, с помощью нового инжектора для PS — протонного синхротронного ускорителя — и, во-вторых, благодаря тщательному изучению оптики луча.
и Результаты открытия
Первым главным заданием Гаргамеля был поиск доказательств жесткого рассеяния мюонных нейтрино и антинейтрино на нуклонах . Приоритеты изменились в марте 1972 г., когда стали очевидны первые намеки на существование адронного нейтрального тока. [9] Тогда было решено провести двойную атаку в поисках нейтральных нынешних кандидатов. Одна линия будет искать лептонные события — события, связанные с взаимодействием с электроном в жидкости, например
н
м +
и −
→
н
м +
и −
или
н
м +
и −
→
н
м +
и −
. Другая линия будет искать адронные события — с участием нейтрино, рассеянного адроном, например
н
+
п
→
н
+
п
,
н
+
н
→
н
+
п
+
п −
или
п
→
н
+
н
+
п +
, плюс события со многими адронами. Лептонные события имеют малые сечения и, соответственно, малый фон. Адронные события имеют больший фон, в основном из-за нейтронов, образующихся при взаимодействии нейтрино в материале вокруг камеры. Нейтроны, не имеющие заряда, не будут обнаружены в пузырьковой камере, а обнаружение их взаимодействий будет имитировать события нейтральных токов. Для уменьшения нейтронного фона энергия адронных событий должна была быть больше 1 ГэВ.
Первый пример лептонного события был обнаружен в декабре 1972 года в Гаргамелле аспирантом из Аахена . К марту 1973 г. было обнаружено 166 адронных событий: 102 события с пучком нейтрино и 64 события с пучком антинейтрино. [9] Однако вопрос о нейтронном фоне висел над интерпретацией адронных событий. Проблема была решена путем изучения событий заряженного тока, которые также имели связанное с нейтронным взаимодействием, удовлетворяющее отбору адронных событий. [10] Таким образом, можно контролировать нейтронный фоновый поток. 19 июля 1973 года коллаборация Гаргамель представила открытие нейтральных токов на семинаре в ЦЕРН.
Коллаборация Гаргамель обнаружила как лептонные нейтральные токи — события, связанные с взаимодействием нейтрино с электроном, так и адронные нейтральные токи — события, когда нейтрино рассеивается на нуклоне. Это открытие было очень важным, поскольку оно поддержало электрослабую теорию , которая сегодня является основой Стандартной модели . Окончательное экспериментальное доказательство электрослабой теории было получено в 1983 году, когда коллаборация UA1 и UA2 открыла W ± и З 0 бозоны .
Первоначально первоочередной задачей Гаргамели было измерение сечений нейтрино и антинейтрино и структурных функций . Причиной этого была проверка кварковой модели нуклона. Во-первых, было показано, что сечения нейтрино и антинейтрино линейны с энергией, чего и следовало ожидать от рассеяния точечных составляющих в нуклоне. Объединение структурных функций нейтрино и антинейтрино позволило определить чистое число кварков в нуклоне, что хорошо согласовывалось с 3. Кроме того, сравнение результатов нейтрино с результатами Стэнфордского центра линейных ускорителей (SLAC) в США с использованием электронного пучка установили, что кварки имеют дробные заряды, и экспериментально доказали значения этих зарядов: + 2 ⁄ 3 e , − 1 ⁄ 3 е. Результаты были опубликованы в 1975 году и предоставили решающие доказательства существования кварков. [11]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с «Гаргамель» . ЦЕРН . Проверено 12 августа 2017 г.
- ^ «Нобелевская премия по физике 1979 года» . Нобелевская премия.org . 15 октября 1979 года . Проверено 28 июля 2017 г.
- ^ Шварц, М. (15 марта 1960 г.). «Возможность использования нейтрино высоких энергий для изучения слабых взаимодействий». Письма о физических отзывах . 4 (6): 306–307. Бибкод : 1960PhRvL...4..306S . дои : 10.1103/PhysRevLett.4.306 .
- ^ «Нобелевская премия по физике 1988 года: пресс-релиз» . Нобелевская премия.org . Проверено 16 августа 2017 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Пестре, Доминик (1996). Гаргамель и BEBC. Как были выбраны две последние гигантские пузырьковые камеры Европы . Амстердам: Северная Голландия. стр. 39–97.
- ^ Хайдт, Дитер (2015). «Открытие слабых нейтральных токов» . В Шоппере, Хервиг; Ди Лелла, Луиджи (ред.). 60 лет экспериментов и открытий ЦЕРН . Сингапур: World Scientific. стр. 165–185 . Проверено 12 августа 2017 г.
- ^ «Предложение о проведении нейтринного эксперимента в Гаргамеле» . 16 марта 1970 г. CERN-TCC-70-12 . Проверено 12 августа 2017 г.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Мюссе, П.; Виалле, Япония (1978). «Нейтринная физика с Гаргамелью». В Джейкоб, М. (ред.). Калибровочные теории и нейтринная физика . Амстердам: Издательство Северной Голландии. стр. 295–425.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Канди, Дональд; Кристин, Саттон (25 августа 2009 г.). «Гаргамель: повесть о гигантском открытии» . ЦЕРН Курьер . ЦЕРН . Проверено 15 августа 2017 г.
- ^ Канди, Дональд (1 июля 1974 г.). Нейтринная физика . 17-я Международная конференция по физике высоких энергий. Лондон: ЦЕРН. стр. 131–148.
- ^ Деден, Х.; и др. (27 января 1975 г.). «Экспериментальное исследование структурных функций и правил сумм во взаимодействиях нейтрино и антинейтрино с нуклонами с изменением заряда» (PDF) . Ядерная физика Б . 85 (2): 269–288. Бибкод : 1975НуФБ..85..269Д . дои : 10.1016/0550-3213(75)90008-5 . Проверено 18 августа 2017 г.
Дальнейшее чтение [ править ]
Внешние ссылки [ править ]
- Гаргамеля Запись эксперимента на INSPIRE-HEP
