Детектор коллайдеров в Фермилабе
Экспериментальная коллаборация « Детектор коллайдеров» в Фермилабе ( CDF ) изучает столкновения частиц высоких энергий на Тэватроне , бывшем в мире ускорителе частиц с самой высокой энергией . Цель состоит в том, чтобы обнаружить личность и свойства частиц , составляющих Вселенную, и понять силы и взаимодействия между этими частицами.
CDF — это международное сотрудничество, в которое на пике своего развития входило около 600 физиков. [1] (около 30 американских университетов и национальных лабораторий и около 30 групп университетов и национальных лабораторий Италии , Японии , Великобритании , Канады , Германии , Испании , России , Финляндии , Франции , Тайваня , Кореи и Швейцарии ). [2] CDF Сам детектор весил около 5000 тонн. [3] и составлял около 12 метров во всех трех измерениях. Цель эксперимента — измерить исключительные события из миллиардов столкновений частиц , чтобы:
- Ищите доказательства явлений, выходящих за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц.
- Измеряйте и изучайте образование и распад тяжелых частиц, таких как верхние и нижние кварки , а также W- и Z-бозоны.
- Измерьте и изучите образование струй частиц и фотонов высокой энергии.
- Изучите другие явления, такие как дифракция. [2]
центра масс Тэватрон сталкивал протоны и антипротоны при энергии около 2 ТэВ. Очень высокая энергия, доступная для этих столкновений, позволила произвести тяжелые частицы, такие как топ-кварк и бозоны W и Z, которые весят намного больше, чем протон (или антипротон ). Эти более тяжелые частицы были идентифицированы по их характерным распадам. [4] Аппарат CDF регистрировал траектории и энергии электронов, фотонов и легких адронов . Нейтрино не регистрировались в аппарате, что привело к явной потере энергии . [5]
Есть еще один эксперимент, похожий на CDF, под названием DØ , в котором детектор был расположен в другой точке кольца Тэватрона.
История
[ редактировать ]было два детектора частиц На Тэватроне в Фермилабе : CDF и DØ. CDF был первым детектором на Тэватроне, предшествовавшим DØ. Истоки CDF восходят к 1976 году, когда Фермилаб основал отдел встречных пучков под руководством Джима Кронина . Этот отдел сосредоточился на разработке как ускорителя, который будет производить сталкивающиеся пучки частиц, так и детектора, который будет анализировать эти столкновения. Когда в конце 1977 года лаборатория распустила этот отдел, в нем был создан отдел детекторов столкновений под руководством Элвина Толлеструпа . В 1980 году Рой Швиттерс стал заместителем руководителя CDF и KEK в Японии, и Национальная лаборатория Фраскати к сотрудничеству присоединилась в Италии. Летом 1981 года в результате сотрудничества был завершен отчет о концептуальном проектировании CDF, а строительство зала столкновений началось 1 июля 1982 года. Лаборатория открыла детектор CDF 11 октября 1985 года, и CDF наблюдал первые протон-антипротонные столкновения Тэватрона. 13 октября 1985 года. [6]
За прошедшие годы в CDF было внесено два крупных обновления. Первая модернизация началась в 1989 году, а вторая - в 2001 году. Каждая модернизация считалась «прогоном». Прогон 0 — это прогон до каких-либо обновлений (1988–1989), прогон I — после первого обновления, а прогон II — после второго обновления. Обновления для запуска I включали добавление кремниевого вершинного детектора (первого такого детектора, установленного в эксперименте на адронном коллайдере), [7] усовершенствования центральной мюонной системы, добавление системы слежения за вершинами, добавление центральных предрадиаторных камер, а также усовершенствования считывающей электроники и компьютерных систем. [8] Запуск II включал модернизацию центральной системы слежения, детекторов предливня и расширение мюонного покрытия. [9]
CDF собирал данные до тех пор, пока Теватрон не был закрыт в 2011 году, но ученые CDF продолжают анализировать данные, собранные в ходе эксперимента. [10]
Открытие топ-кварка
[ редактировать ]
Одним из самых известных открытий CDF является наблюдение топ-кварка в феврале 1995 года. [11] Гипотеза о существовании верхнего кварка была выдвинута после наблюдения ипсилона в Фермилабе в 1977 году, который, как выяснилось, состоит из нижнего кварка и анти-нижнего кварка. Стандартная модель , наиболее широко распространенная теория, описывающая частицы и их взаимодействия, предсказала существование трех поколений кварков. [12] Кварки первого поколения — это верхние и нижние кварки, кварки второго поколения — странные и очаровательные, а третьего поколения — верхние и нижние. Существование нижнего кварка укрепило убежденность физиков в существовании верхнего кварка. [13] Топ-кварк был последним из наблюдавшихся кварков, главным образом из-за его сравнительно большой массы. В то время как массы других кварков варьируются от 0,005 ГэВ (верхний кварк) до 4,7 ГэВ (нижний кварк), верхний кварк имеет массу 175 ГэВ. [14] Только Тэватрон Фермилаба обладал энергетической способностью производить и обнаруживать пары топ-антиверх. Большая масса топ-кварка привела к почти мгновенному распаду топ-кварка, порядка 10 −25 секунд, что чрезвычайно затрудняет наблюдение. Стандартная модель предсказывает, что верхний кварк может лептонно распасться на нижний кварк и W-бозон . Этот W-бозон может затем распасться на лептон и нейтрино (t→Wb→ѵlb). Поэтому CDF работал над реконструкцией высших событий, специально ища доказательства присутствия нижних кварков, W-бозонов, нейтрино. Наконец, в феврале 1995 года у CDF было достаточно доказательств, чтобы сказать, что они «открыли» высший кварк. [15] 24 февраля экспериментаторы CDF и DØ одновременно представили в журнал Physical Review Letters статьи, описывающие наблюдение топ-кварка. Обе коллаборации публично объявили об открытии на семинаре в Фермилабе 2 марта, а статьи были опубликованы 3 апреля. [16]
В 2019 году Европейское физическое общество вручило Премию Европейского физического общества по физике высоких энергий и элементарных частиц 2019 года коллаборациям CDF и DØ «за открытие топ-кварка и детальное измерение его свойств». [17]
Другие открытия и вехи
[ редактировать ]25 сентября 2006 года коллаборация CDF объявила, что они обнаружили, что мезон B-sub-s быстро колеблется между веществом и антивеществом со скоростью 3 триллиона раз в секунду, явление, называемое осцилляциями B-Bbar . [18]
8 января 2007 года коллаборация CDF объявила, что с помощью единственного эксперимента они достигли самого точного в мире измерения массы W-бозона. Это наложило новые ограничения на возможную массу еще не открытого бозона Хиггса . [19] [20]
7 апреля 2022 года коллаборация CDF объявила в статье, опубликованной в журнале Science , что они провели наиболее точное измерение массы W-бозона и обнаружили, что его фактическая масса значительно превышает массу, предсказанную Стандартом. Модель и массы, которые были измерены ранее. [21] В 2023 году эксперимент ATLAS на Большом адронном коллайдере опубликовал улучшенное измерение массы W-бозона, 80 360 ± 16 МэВ, что соответствовало предсказаниям Стандартной модели. [22] [23]
Ученые CDF также обнаружили несколько других частиц, в том числе B-sub-c-мезон. [24] (анонсировано 5 марта 1998 г.); сигма-суб-b-барионы, барионы, состоящие из двух верхних кварков и нижнего кварка и из двух нижних кварков и нижнего кварка (анонсировано 23 октября 2006 г.); [25] барионы каскада b, состоящие из нижнего, странного и нижнего кварков (открыты совместно с DØ и анонсированы 15 июня 2007 г.); [26] и омега-суб-b-барионы, состоящие из двух странных кварков и нижнего кварка (объявлено в июне 2009 г.). [27]
Слои детектора
[ редактировать ]Чтобы физики могли понять данные, соответствующие каждому событию, они должны понимать компоненты детектора CDF и то, как детектор работает. Каждый компонент влияет на то, как будут выглядеть данные. Сегодня 5000-тонный детектор находится в B0 и анализирует миллионы столкновений лучей в секунду. [28] Детектор имеет множество различных уровней. Каждый из этих слоев работает одновременно с другими компонентами детектора, пытаясь взаимодействовать с различными частицами, тем самым давая физикам возможность «видеть» и изучать отдельные частицы.
CDF можно разделить на слои следующим образом:
- Слой 1: Балочная труба
- Уровень 2: Кремниевый детектор
- Уровень 3: Центральный внешний трекер
- Слой 4: Соленоидный магнит
- Уровень 5: Электромагнитные калориметры
- Уровень 6: Адронные калориметры
- Уровень 7: Детекторы мюонов
Слой 1: балочная труба
[ редактировать ]Балочная труба является самым внутренним слоем CDF. В лучевой трубе сталкиваются протоны и антипротоны, движущиеся со скоростью примерно 0,99996 с. Каждый из протонов движется чрезвычайно близко к скорости света с чрезвычайно высокими энергиями. При столкновении большая часть энергии преобразуется в массу. Это позволяет аннигиляции протона/антипротона производить дочерние частицы, такие как топ-кварки с массой 175 ГэВ, намного тяжелее первоначальных протонов. [29]
Уровень 2: кремниевый детектор
[ редактировать ]
Вокруг лучевой трубы находится кремниевый детектор. Этот детектор используется для отслеживания пути заряженных частиц, проходящих через детектор. Кремниевый детектор начинается на радиусе r = 1,5 см от линии луча и простирается до радиуса r = 28 см от линии луча. [9] Кремниевый детектор состоит из семи слоев кремния, расположенных в форме бочонка вокруг лучевой трубы. Кремний часто используется в детекторах заряженных частиц из-за его высокой чувствительности, позволяющей отслеживать вершины и отслеживать их с высоким разрешением. [30] Первый слой кремния, известный как Layer 00, представляет собой односторонний детектор, предназначенный для отделения сигнала от фона даже при сильном излучении. Остальные слои двусторонние и радиационно-стойкие, то есть слои защищены от повреждений радиоактивностью. [9] Кремний отслеживает пути заряженных частиц, проходящих через детектор, путем ионизации кремния. Плотность кремния в сочетании с низкой энергией ионизации кремния позволяет сигналам ионизации распространяться быстро. [30] Когда частица проходит через кремний, ее положение будет записываться в трех измерениях. Кремниевый детектор имеет разрешение попадания по треку 10 мкм и разрешение прицельного параметра 30 мкм. [9] Физики могут посмотреть на этот след ионов и определить путь, по которому прошла частица. [29] Поскольку кремниевый детектор расположен внутри магнитного поля, кривизна пути сквозь кремний позволяет физикам рассчитывать импульс частицы. Большая кривизна означает меньший импульс и наоборот.
Уровень 3: центральный внешний трекер (COT)
[ редактировать ]За пределами кремниевого детектора центральный внешний трекер работает во многом так же, как кремниевый детектор, поскольку он также используется для отслеживания траекторий заряженных частиц и также расположен в магнитном поле. Однако COT не изготовлен из кремния. Кремний чрезвычайно дорог, и его непрактично покупать в больших количествах. COT представляет собой газовую камеру, наполненную десятками тысяч золотых проволок, расположенных слоями, и газообразным аргоном. В COT используются два типа проводов: сенсорные провода и полевые провода. Сенсорные провода тоньше и притягивают электроны, высвобождаемые газом аргоном при его ионизации. Полевые провода толще сенсорных и притягивают положительные ионы, образующиеся в результате высвобождения электронов. [29] Всего имеется 96 слоев проволоки, каждая из которых расположена на расстоянии примерно 3,86 мм друг от друга. [9] Как и в кремниевом детекторе, когда заряженная частица проходит через камеру, она ионизирует газ. Затем этот сигнал передается по ближайшему проводу, который затем передается на компьютеры для считывания. Длина COT составляет примерно 3,1 м и простирается от r = 40 см до r = 137 см. Хотя COT не так точен, как кремниевый детектор, COT имеет разрешение положения попадания 140 мкм и разрешение по импульсу 0,0015 (ГэВ/c). −1 . [9]
Слой 4: соленоидный магнит
[ редактировать ]Соленоидный магнит окружает как COT, так и кремниевый детектор. Назначение соленоида — искривлять траекторию заряженных частиц в COT и кремниевом детекторе за счет создания магнитного поля, параллельного лучу. [9] Соленоид имеет радиус r = 1,5 м и длину 4,8 м. Искривление траектории частиц в магнитном поле позволяет физикам рассчитать импульс каждой из частиц. Чем выше кривизна, тем меньше импульс и наоборот. Поскольку частицы обладают такой высокой энергией, необходим очень сильный магнит, чтобы искривлять траектории частиц. Соленоид представляет собой сверхпроводящий магнит, охлаждаемый жидким гелием. Гелий снижает температуру магнита до 4,7 К или -268,45 ° C, что снижает сопротивление почти до нуля, позволяя магниту проводить большие токи с минимальным нагревом и очень высокой эффективностью, а также создавать мощное магнитное поле. [29]
Слои 5 и 6: электромагнитные и адронные калориметры.
[ редактировать ]Калориметры количественно определяют общую энергию частиц путем преобразования энергии частиц в видимый свет с помощью полистироловых сцинтилляторов. CDF использует два типа калориметров: электромагнитные калориметры и адронные калориметры. Электромагнитный калориметр измеряет энергию легких частиц, а адронный калориметр измеряет энергию адронов. [29] Центральный электромагнитный калориметр использует чередующиеся листы свинца и сцинтиллятор. Каждый слой свинца составляет примерно Ширина 20 мм ( 3 ⁄ дюйма ). Свинец используется для остановки частиц при их прохождении через калориметр, а сцинтиллятор используется для количественного определения энергии частиц. Адронный калориметр работает почти так же, за исключением того, что в адроном калориметре вместо свинца используется сталь. [9] Каждый калориметр образует клин, состоящий как из электромагнитного, так и из адронного калориметра. Эти клинья имеют длину около 2,4 м (8 футов) и расположены вокруг соленоида. [29]
Уровень 7: детекторы мюонов
[ редактировать ]Последний «слой» детектора состоит из детекторов мюонов. Мюоны — это заряженные частицы, которые могут образовываться при распаде тяжелых частиц. Эти частицы высокой энергии практически не взаимодействуют, поэтому детекторы мюонов стратегически расположены в самом дальнем от лучевой трубы слое за большими стальными стенами. Сталь гарантирует, что в мюонные камеры проходят только частицы чрезвычайно высоких энергий, такие как нейтрино и мюоны. [29] Существует два аспекта мюонных детекторов: плоские дрейфовые камеры и сцинтилляторы. Имеется четыре слоя плоских дрейфовых камер, каждый из которых способен регистрировать мюоны с поперечным импульсом p T > 1,4 ГэВ/c. [9] Эти дрейфовые камеры работают так же, как COT. Они наполнены газом и проволокой. Заряженные мюоны ионизируют газ, и сигнал передается на считывание по проводам. [29]
Заключение
[ редактировать ]Понимание различных компонентов детектора важно, поскольку детектор определяет, как будут выглядеть данные и какой сигнал можно ожидать увидеть для каждой частицы. Детектор — это, по сути, набор препятствий, используемых для принуждения частиц к взаимодействию, что позволяет физикам «видеть» присутствие определенной частицы. Если через детектор проходит заряженный кварк, свидетельством существования этого кварка будет искривленная траектория в кремниевом детекторе и энергия, выделяемая COT в калориметре. Если нейтральная частица, такая как нейтрон, пройдет через детектор, в COT и кремниевом детекторе не будет трека, а будет выделена энергия в адронный калориметр. Мюоны могут появляться в COT и кремниевом детекторе, а также в виде выделенной энергии в мюонных детекторах. Точно так же нейтрино, которое редко, если вообще когда-либо, взаимодействует, проявит себя только в форме недостающей энергии.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Тобак, Дэвид (30 июня 2017 г.). «CDF публикует 700 статей» . Фермилаб - Новости в работе . Архивировано из оригинала 22 октября 2018 г. Проверено 05 января 2021 г.
- ^ Jump up to: а б Йо, Джон (20 апреля 2005 г.). «Краткое введение в эксперимент CDF» . Детектор коллайдеров в Фермилабе . Архивировано из оригинала 4 декабря 2004 г. Проверено 05 января 2020 г.
- ^ Браун, Малкольм В. (1 марта 1995 г.). «Топ-кварк останется загадкой, но только на один день (опубликовано в 1995 г.)» . Нью-Йорк Таймс . ISSN 0362-4331 . Проверено 05 января 2021 г.
- ^ Денисов Дмитрий; Кенигсберг, Хакобо (15 апреля 2016 г.). «Наследие Тэватрона: история светимости» . ЦЕРН Курьер . Архивировано из оригинала 23 июня 2020 г. Проверено 12 марта 2021 г.
- ^ Йо, Джон (7 января 2005 г.). «Введение в детектор CDF и частицы, которые мы наблюдаем» . Детектор коллайдеров в Фермилабе . Архивировано из оригинала 4 декабря 2004 г. Проверено 12 марта 2021 г.
- ^ Ходдесон, Лилиан; Колб, Адриенн; Вестфолл, Кэтрин (2008). Фермилаб: физика, фронтир и меганаука . Чикаго: Издательство Чикагского университета. ISBN 978-0-226-34623-6 . OCLC 192045754 .
- ^ Хартманн, Франк (2017). «CDF: крупнейший в мире кремниевый детектор в 20 веке; первый кремниевый детектор на адроном коллайдере» . Эволюция технологии кремниевых датчиков в физике элементарных частиц . Спрингеровские трактаты в современной физике. Том. 275. Спрингер, Чам. стр. 195–218. дои : 10.1007/978-3-319-64436-3_5 . ISBN 978-3-319-64436-3 .
- ^ «CDF обновлен для запуска коллайдера» (PDF) . Ферминьюс . 15 (12): 3, 9. 3 июля 1992 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я «Краткое описание детектора CDF в прогоне II». (2004): 1-2.
- ^ «Теватрон отключается, но анализ продолжается» . Фермилаб - Новости . 30 сентября 2011 г. Проверено 22 марта 2022 г.
- ^ Килминстер, Бен. «ВКР «Итоги недели» в Фермилабе сегодня». Детектор коллайдеров в Фермилабе. Детектор коллайдеров в Фермилабе. 28 апреля 2009 г. < http://www-cdf.fnal.gov/rotw/CDF_ROW_descriptions.html >.
- ^ «Стандартная модель» . ЦЕРН . ЦЕРН . Проверено 28 мая 2019 г.
- ^ Ланкфорд, Энди. «Открытие Топ-Кварка». Детектор коллайдеров в Фермилабе. 25 апреля 2009 г. < http://www.ps.uci.edu/physical/news/lankford.html >.
- ^ "Диаграмма кварков". Приключение частиц. Группа данных частиц. 5 мая 2009 г. < http://www3.fi.mdp.edu.ar/fc3/particle/quark_chart.html [ постоянная мертвая ссылка ] >.
- ^ Куигг, Крис. «Открытие Топ-Кварка». 1996. Национальная ускорительная лаборатория имени Ферми. 8 мая 2009 г. < http://lutece.fnal.gov/Papers/PhysNews95.html >.
- ^ Денисов Дмитрий; Веллидис, Костас (01 апреля 2015 г.). «Топ-кварк, 20 лет после его открытия» . Физика сегодня . 68 (4): 46–52. дои : 10.1063/PT.3.2749 . ISSN 0031-9228 .
- ^ Хесла, Лия (21 мая 2019 г.). «Европейское физическое общество вручает высшую награду экспериментам CDF и DZero Фермилаба по открытию топ-кварков и измерениям» . Фермилаб - Новости . Проверено 29 марта 2022 г.
- ^ «Ученые из CDF Фермилаба официально заявляют: они обнаружили быстроизменяющееся поведение B-sub-s-мезона, который переключается между материей и антиматерией 3 триллиона раз в секунду» . Фермилаб - Новости . 25 сентября 2006 г. Проверено 22 марта 2022 г.
- ^ «Точное измерение массы W-бозона методом CDF позволяет предположить наличие более легкой частицы Хиггса» . Фермилаб - Новости . 08.01.2007 . Проверено 22 марта 2022 г.
- ^ «Точные измерения массы W-бозона позволяют предположить наличие более легкой частицы Хиггса» . физ.орг . Проверено 22 марта 2022 г.
- ^ Сотрудничество CDF†‡; Аалтонен, Т.; Америо, С.; Амидей, Д.; Анастасов А.; Аннови, А.; Антос, Дж.; Аполлинари, Г.; Аппель, Дж.А.; Арисава, Т.; Артиков, А. (08.04.2022). «Высокоточное измерение массы W-бозона детектором CDF II» . Наука . 376 (6589): 170–176. дои : 10.1126/science.abk1781 . hdl : 11390/1225696 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 35389814 . S2CID 248025265 .
- ^ Уэллетт, Дженнифер (24 марта 2023 г.). «Новое значение массы W-бозона затмевает намеки на физику за пределами Стандартной модели в 2022 году» . Арс Техника . Проверено 26 марта 2023 г.
- ^ «Улучшенное измерение массы W-бозона с использованием протон-протонных столкновений $\sqrt{s}=7$ ТэВ с детектором ATLAS» . Эксперимент АТЛАС . ЦЕРН. 22 марта 2023 г. Проверено 26 марта 2023 г.
- ^ Джексон, Джуди (20 марта 1998 г.). «CDF загоняет последнего из мезонов» (PDF) . ФермиНьюс . стр. 1–2 . Проверено 29 марта 2022 г.
- ^ «Экспериментаторы Фермилаба открывают экзотических родственников протонов и нейтронов» . Фермилаб - Новости . 23 октября 2006 г. Проверено 22 марта 2022 г.
- ^ «Спина к спине барионы в Батавии» . Фермилаб - Новости . 25 июня 2007 г. Проверено 22 марта 2022 г.
- ^ «CDF Фермилаба наблюдает барион Омега-суб-b» . Фермилаб - Новости . 29 июня 2009 г. Проверено 22 марта 2022 г.
- ^ Йо, Джон (2005). Краткое введение в эксперимент CDF. Проверено 28 апреля 2008 г., веб-сайт: http://www-cdf.fnal.gov/events/cdfintro.html .< http://www-cdf.fnal.gov/upgrades/tdr/tdr.html >
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Ли, Дженни (2008). Детектор коллайдеров в Фермилабе. Получено 26 сентября 2008 г. с веб-сайта виртуального тура CDF: http://www-cdf.fnal.gov/ .
- ^ Jump up to: а б «Детекторы частиц». Группа данных частиц. 24 июля 2008 г. Национальная ускорительная лаборатория имени Ферми. 11 мая 2009 г. < http://pdg.lbl.gov/2008/reviews/rpp2008-rev-particle-detectors.pdf >.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Миры внутри атома, статья National Geographic, май 1985 г.