КЛАС-детектор
Спектрометр большого приема CEBAF (CLAS) — детектор ядерной физики и физики элементарных частиц, расположенный в экспериментальном зале B лаборатории Джефферсона в Ньюпорт-Ньюсе , Вирджиния , США. Он используется для изучения свойств ядерной материи в сотрудничестве более 200 физиков (сотрудничество CLAS) из многих стран мира.
Электронный пучок с энергией от 0,5 до 12,0 ГэВ из ускорителя лаборатории Джефферсона подается в «Зал B», экспериментальный зал, в котором находится система CLAS. Электроны или фотоны входящего пучка сталкиваются с ядрами атомов физической «мишени», расположенной в центре CLAS. Эти столкновения обычно производят новые частицы, часто после того, как целевые нуклоны (протоны и нейтроны) на короткое время возбуждаются до более тяжелых версий знакомых протонов и нейтронов. Можно создать целый ряд короткоживущих частиц промежуточной массы, называемых «мезонами». Рассеянные электроны, а также образовавшиеся долгоживущие частицы проходят через детектор CLAS, где они измеряются. Физики элементарных частиц используют эти измерения, чтобы определить основную структуру протонов и нейтронов и лучше понять взаимодействия, которые создают эти новые частицы.
Детекторная система CLAS работала с 1998 г. по май 2012 г. С этого времени анализ архивных данных продолжался в течение нескольких лет, что можно проследить по публикациям. С 2012 года была построена аналогичная, но новая система под названием CLAS12, которая начала работу с пучками частиц в 2017 году.
Обзор функций детектора
[ редактировать ]Детектор CLAS отличался среди устройств в области физики адронных частиц тем, что имел очень большое признание; другими словами, он измерил импульс и углы почти всех частиц, образовавшихся в результате электрон-протонных столкновений. Детектор имел примерно сферическую форму и имел диаметр 30 футов. Он окружал физическую мишень, которая обычно представляла собой небольшой цилиндр жидкого водорода (ядро водорода состоит из одного протона) или дейтерия (ядро которого состоит из нейтрона и протона).
Каждое столкновение частицы с целью называется «событием». Сложная система сбора данных записывает каждое событие, измеренное детекторами частиц, в среднем до нескольких тысяч событий в секунду. Эти данные затем передаются в «ферму» вычислительных процессоров. Группы физиков анализируют события в поисках новых видов частиц или информации, связанной с основной структурой протона.
Описание детектора
[ редактировать ]Схема детектора CLAS представлена на рисунке, а также фотография детектора в частично раскрытом для обслуживания состоянии. Физическая цель находится в центре. Заряженные частицы обнаруживаются практически во всех направлениях, исключая очень прямое (лучевое) и обратное (лучевое) направления, а также исключая азимутальные направления, занятые шестью тороидальными катушками магнитного поля. Детектор был спроектирован в виде вложенной конструкции с последовательными слоями детекторов частиц для отслеживания траекторий частиц или регистрации времени полета частиц. Тороидальное магнитное поле заставляет заряженную частицу из мишени изгибаться по дуге либо в сторону, либо в сторону от линии луча. Частицы, покидающие цель, сначала проходят через счетчик времени, чтобы зарегистрировать начало своей траектории. Затем частицы проходят через три пакета дрейфовых камер, которые используются для отслеживания их пути через магнитное поле и, таким образом, позволяют определить их импульс.
За пределами магнитного поля слой детекторов времени измеряет время прохождения частиц на расстоянии около четырех метров от цели. Разделив длину пути частицы на время путешествия, получим скорость. Знание импульса и скорости частицы приводит к ее идентификации по массе. Детектор CLAS также содержит дополнительные детекторы в прямом направлении ( черенковские счетчики и электромагнитные калориметры ), цель которых — отличить электроны от других типов частиц, таких как пионы.
Программа по физике
[ редактировать ]С CLAS были проведены две категории экспериментов: с использованием электронов в пучке и с использованием так называемых реальных фотонов, созданных с помощью электронного луча. Эксперименты с использованием рассеяния электронов в первую очередь исследуют структуру протонов и их возбуждений на различных субъядерных «масштабах длины». Эксперименты с использованием реальных фотонных пучков в первую очередь исследуют рождение и распад мезонов и возбужденных барионов.
Список научно-технических работ, полученных в результате программы CLAS, приведен в конце этой статьи. Спектр рассматриваемых вопросов широк, как видно из следующего списка тем, представленных в произвольном порядке:
- Неупругое рассеяние электронов на нуклоне для изучения возникновения и распада возбужденных состояний нуклона
- Фото- и электророждение гиперонов, исследование спектра основного состояния и возбужденных странных барионов.
- Фоторождение мезона из нуклона, поиск мезонных состояний, не учтенных в кварковой модели.
- Электрорасщепление ядерных мишеней для изучения корреляций между нуклонами внутри ядра.
- Глубоконеупругое рассеяние электронов с рождением мезонов с использованием поляризованного пучка и/или мишени для изучения полного трехмерного распределения кварков внутри нуклона.
Сотрудничающие учреждения (всего с 1989 г.)
[ редактировать ]- Университет штата Аризона - Темпе, Аризона
- Калифорнийский государственный университет - Домингес-Хиллз, Калифорния
- Университет Карнеги-Меллона - Питтсбург, Пенсильвания
- Католический университет Америки - Вашингтон, округ Колумбия
- CEA-Сакле - Жиф-сюр-Иветт, Франция
- Университет Кристофера Ньюпорта, Ньюпорт-Ньюс, Вирджиния
- Международный университет Флориды - Майами, Флорида
- Университет штата Флорида - Таллахасси, Флорида
- Университет Джорджа Вашингтона - Вашингтон, округ Колумбия
- Государственный университет Айдахо - Покателло, ID
- INFN, Национальные лаборатории Фраскати - Фраскати, Италия
- INFN, Отделение Генуи - Генуя, Италия
- Институт ядерной физики - Орсе, Франция
- ИТЭФ - Москва, Россия
- Университет Джеймса Мэдисона - Харрисонбург, Вирджиния
- Университет Кёнпук - Тэгу, Южная Корея
- Массачусетский технологический институт – Кембридж, Массачусетс
- Московский государственный университет - Москва, Россия
- Государственный университет Миссисипи - Мисс Штат, MS
- Норфолкский государственный университет - Норфолк, Вирджиния
- Государственный сельскохозяйственно-технический университет Северной Каролины - Гринсборо, Северная Каролина
- Университет Огайо - Афины, Огайо
- Университет Олд Доминион - Норфолк, Вирджиния
- Политехнический институт Ренсселера - Трой, Нью-Йорк
- Университет Райса - Хьюстон, Техас
- Колледж Уильяма и Мэри - Вильямсбург, Вирджиния
- Национальный ускорительный центр Томаса Джефферсона - Ньюпорт-Ньюс, Вирджиния
- Юнион-колледж - Скенектади, Нью-Йорк
- Технический университет Федерико Санта-Мария - Вальпараисо, Чили
- Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе - Лос-Анджелес, Калифорния
- Университет Коннектикута - Сторрс, Коннектикут
- Эдинбургский университет - Эдинбург, Шотландия
- Университет Глазго - Глазго, Шотландия
- Массачусетский университет - Амхерст, Массачусетс
- Университет Нью-Гэмпшира - Дарем, Нью-Хэмпшир
- Париж-Южный университет 11 - Орсе, Франция
- Университет Ричмонда - Ричмонд, Вирджиния
- Университет Южной Каролины - Колумбия, Южная Каролина
- Университет Вирджинии - Шарлоттсвилл, Вирджиния
- Политехнический институт Вирджинии - Блэксбург, Вирджиния
- Ереванский физический институт - Ереван, Армения