эксперимент UA2
 | |
| Ключевые эксперименты Sp p S | |
|---|---|
| UA1 | Подземная зона 1 |
| UA2 | Подземная зона 2 |
| UA4 | Подземная зона 4 |
| UA5 | Подземная зона 5 |
| Sp p S Преускорители | |
| ПС | Протонный синхротрон |
| АА | Антипротонный аккумулятор |
Эксперимент «Подземная зона 2 » (UA2) — это эксперимент по физике высоких энергий на Протон-антипротонном коллайдере ( Sp p S ) — модификации суперпротонного синхротрона ( SPS ) — в ЦЕРН . Эксперимент проводился с 1981 по 1990 год. [1] и его главной целью было открытие W- и Z-бозонов . UA2 вместе с экспериментом UA1 удалось обнаружить эти частицы в 1983 году, что привело к Нобелевской премии по физике присуждению 1984 года Карло Руббиа и Саймону ван дер Мееру . Эксперимент UA2 также обнаружил первые доказательства образования струй в адронных столкновениях в 1981 году и участвовал в поисках топ- кварка и суперсимметричных частиц . Пьер Дарриулат был представителем UA2 с 1981 по 1986 год, а затем Луиджи Ди Лелла с 1986 по 1990 год.
Фон
[ редактировать ]Примерно в 1968 году Шелдон Глэшоу , Стивен Вайнберг и Абдус Салам разработали электрослабую теорию , которая объединила электромагнетизм и слабые взаимодействия , и за которую они разделили Нобелевскую премию по физике 1979 года . [2] Теория постулировала существование W- и Z-бозонов, и давление на исследовательское сообщество с целью доказать существование этих частиц экспериментально было существенным. В 70-е годы было установлено, что массы W- и Z-бозонов находились в диапазоне от 60 до 80 ГэВ (W-бозон) и от 75 до 92 ГэВ (Z-бозон) — энергии слишком велики, чтобы их мог получить любой ускоритель работающий на в тот раз. [3] В 1976 году Карло Руббиа , Питер Макинтайр и Дэвид Клайн предложили модифицировать ускоритель протонов — в то время ускоритель протонов уже работал в Фермилабе и еще один строился в ЦЕРН (SPS) — в протон - антипротонный коллайдер, способный достигать энергии, достаточно большие, чтобы произвести W- и Z-бозоны. [4] Это предложение было принято в ЦЕРН в 1978 году, а суперпротонный синхротрон (SPS) был модифицирован для того, чтобы время от времени работать как протон-антипротонный коллайдер (Sp p S). [5]
История
[ редактировать ]29 июня 1978 года эксперимент UA1 был одобрен. В том же году были сделаны два предложения по второму детектору того же назначения, что и UA1. 14 декабря 1978 года предложение Пьера Дарриула , Луиджи Ди Лелла и его сотрудников было одобрено. [6] Как и UA1 , UA2 представлял собой передвижной детектор, специально построенный вокруг лучевой трубы коллайдера, который искал протон-антипротонные столкновения в поисках сигнатур частиц W и Z. [1] Эксперимент UA2 начал действовать в декабре 1981 года. Первоначально в коллаборацию UA2 входило около 60 физиков из Берна , ЦЕРН, Копенгагена , Орсе , Павии и Сакле .
С 1981 по 1985 год в ходе экспериментов UA1 и UA2 были собраны данные, соответствующие интегральной светимости примерно 0,9 пб. −1 . С 1985 по 1987 год Sp p S был модернизирован, при этом светосила машины увеличилась в 10 раз по сравнению с предыдущим исполнением. [3] Субдетекторы UA2 также были модернизированы, что сделало детектор герметичным, что повысило его способность измерять недостающую поперечную энергию.
Второй экспериментальный этап длился с 1987 по 1990 год. группы из Кембриджа , Гейдельберга , Милана , Перуджи и Пизы К сотрудничеству присоединились , число которых выросло примерно до 100 физиков. На этом этапе UA2 накопил данные, соответствующие интегральной светимости 13,0 пб. −1 в три основных периода работы. [7] После почти десяти лет работы экспериментальная программа UA2 прекратила работу в конце 1990 года.
Компоненты и работа
[ редактировать ]
Эксперименты UA1 и UA2 записывали данные во время операции столкновения протон-антипротон и возвращались назад после периодов сбора данных, чтобы SPS мог вернуться к работе с фиксированной целью. UA2 перемещался на воздушных подушках при снятии с балочной трубы Sp p S. [1]
Строительство
[ редактировать ]Эксперимент UA2 располагался примерно в 50 метрах под землей, в кольце ускорителя SPS / Sp p S , и размещался в большой пещере. Пещера была достаточно большой, чтобы разместить детектор, обеспечить место для его сборки в «гаражном положении» без выключения ускорителя, а также туда, куда его также можно было перемещать обратно после периодов сбора данных. Таким образом, ускоритель может вернуться к работе с фиксированной целью после периода работы в качестве коллайдера. [1]
Детекторы
[ редактировать ]Эксперименты UA1 и UA2 имели много общего; оба они работали на одном и том же ускорителе и преследовали одну и ту же цель (открыть W- и Z-бозоны ). Основное отличие заключалось в конструкции детектора; UA1 был многофункциональным детектором , тогда как UA2 имел более ограниченную область применения. [1] UA2 был оптимизирован для обнаружения электронов от распадов W и Z. Акцент был сделан на высокогранулярном калориметре – детекторе, измеряющем количество выделяемой частицами энергии – со сферической проективной геометрией, который также был хорошо адаптирован для обнаружения адронных струй . [3] Отслеживание заряженных частиц осуществлялось в центральном детекторе с использованием комбинации многопроводных пропорциональных камер , дрейфовых камер и годоскопов . [8] Измерения энергии проводились в калориметрах. В отличие от UA1, UA2 не имел мюонного детектора.
Калориметр имел 24 ломтика, каждый весом 4 тонны. [9] Эти ломтики были расположены вокруг точки столкновения, как дольки апельсина. Частицы, выброшенные при столкновении, образовали ливни вторичных частиц в слоях тяжелого материала. Эти ливни проходили через слои пластиковых сцинтилляторов, генерируя свет, который считывался фотоумножителем электроники сбора данных. Количество света было пропорционально энергии исходной частицы. Точная калибровка центрального калориметра позволила измерить массы W и Z с точностью около 1%. [10]
Модернизация детектора
[ редактировать ]Модернизация детектора в 1985–1987 годах была нацелена на два аспекта: полный охват калориметра и лучшая идентификация электронов при меньших поперечных импульсах. [11] Первый аспект был решен путем замены торцевых крышек новыми калориметрами, которые закрывали области 6°-40° относительно направления луча, тем самым герметично закрывая детектор. Торцевые калориметры состояли из образцов свинца/ сцинтиллятора для электромагнитной части и железа/сцинтиллятора для адронной части. [11] Производительность и степень детализации новых калориметров были настроены так, чтобы соответствовать центральному калориметру, что имело важное значение для системы запуска.
Идентификация электронов была улучшена за счет использования совершенно нового узла центрального трекингового детектора, частично состоящего из новаторского детектора с силиконовой подушечкой. В 1989 году это сотрудничество продвинуло эту концепцию еще дальше, разработав детектор кремниевых площадок (SPD) с более тонкой сегментацией площадок, который можно было разместить непосредственно вокруг пучковой трубы в зоне столкновения. [12] Этот детектор был построен в виде цилиндра, плотно окружающего лучевую трубу. Детектор должен был вписаться в доступное пространство менее 1 см. Поэтому возникла необходимость миниатюризировать компоненты детектора. Это было достигнуто с помощью двух совершенно новых технологий: кремниевого датчика и специализированной интегральной схемы (ASIC). Существующая электроника была слишком громоздкой, поэтому пришлось разработать новую ASIC. Это был первый кремниевый трекер, адаптированный для экспериментов на коллайдере, технология, предшествовавшая нынешним кремниевым детекторам. [12]
Результаты
[ редактировать ]
Адронные струи с высоким поперечным импульсом
[ редактировать ]Самый первый результат коллаборации UA2, опубликованный 2 декабря 1982 года, был первым однозначным наблюдением образования адронных струй при высоком поперечном импульсе в результате адронных столкновений. [13] Наблюдения адронных струй подтвердили, что теория квантовой хромодинамики может описать основные особенности сильного партонного взаимодействия . [11]
Открытие W- и Z-бозонов.
[ редактировать ]Коллаборация UA2 и UA1 решила искать W-бозон путем идентификации его лептонного распада, поскольку адронные распады, хотя и более часты, имеют больший фон. [3] К концу 1982 года Sp p S достиг достаточно высокой светимости, чтобы можно было наблюдать и распадается. 22 января 1983 года коллаборация UA2 объявила, что детектор UA2 зарегистрировал четыре события, которые были кандидатами на W-бозон. В результате общее число событий-кандидатов, наблюдаемых UA1 и UA2, достигло 10. Три дня спустя ЦЕРН сделал публичное заявление об обнаружении W-бозона. [14]
Следующим шагом было выследить Z-бозон. Однако теория гласит, что Z-бозон будет в десять раз реже, чем W-бозон. Поэтому в ходе экспериментов необходимо было в несколько раз собрать данные, собранные в ходе эксперимента 1982 года, которые показали существование W-бозона. Благодаря усовершенствованным методам и методам светимость была существенно увеличена. [15] Эти усилия увенчались успехом, и 1 июня 1983 года в ЦЕРНе было сделано официальное объявление об открытии Z-бозона. [16]
Поиск топ-кварка
[ редактировать ]На протяжении всего времени работы с модернизированным детектором коллаборация UA2 конкурировала с экспериментами в Фермилабе в США по поиску топ-кварка . Физики ожидали его существования еще в 1977 году, когда был открыт его партнер — нижний кварк . Считалось, что открытие топ-кварка неизбежно.
За период 1987–1990 годов UA2 собрала 2065 штук. распадается, а 251 Z распадается на электронные пары, из чего соотношение масс W-бозона и массы Z-бозона можно было измерить с точностью 0,5%. [3] К 1991 году стало доступно точное измерение массы Z-бозона с помощью LEP. Используя соотношение массы W к массе Z, можно было провести первое точное измерение массы W. Эти значения массы можно использовать для предсказания топ-кварка по его виртуальному влиянию на массу W. Результат этого исследования дал значение массы топ-кварка в диапазоне от 110 до 220 ГэВ. [3] за пределами досягаемости для прямого обнаружения с помощью UA2 в Sp p S. Топ-кварк был наконец открыт в 1995 году физиками в Фермилабе с массой около 175 ГэВ. [17] [18]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и «УА2» . ЦЕРН . Проверено 21 июня 2017 г.
- ^ «Нобелевская премия по физике 1979 года» . Нобелевская премия . 15 октября 1979 года . Проверено 28 июля 2017 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Ди Лелла, Луиджи; Руббиа, Карло (2015). «Открытие W- и Z-бозонов» . 60 лет экспериментов и открытий ЦЕРН . Расширенная серия по направлениям физики высоких энергий. Том. 23. Всемирная научная. стр. 137–163. дои : 10.1142/9789814644150_0006 . ISBN 978-981-4644-14-3 .
- ^ Руббия, К.; Макинтайр, П.; Клайн, Д. (8 июня 1976 г.). Создание массивных нейтральных промежуточных векторных бозонов с помощью существующих ускорителей . Международная конференция по нейтрино 1976. Ахен, Германия.
- ^ Криге, Джон (1996). «Проект ppbar. I. Коллайдер». В Криге, Джон (ред.). История ЦЕРН. Том III . Амстердам: Северная Голландия. стр. 207–251.
- ^ Баннер, М; и др. (31 января 1978 г.). «Предложение по изучению антипротон-протонных взаимодействий при энергии см 540 ГэВ» (PDF) . Комитет СПС . Проверено 24 июля 2017 г.
- ^ Якобс, Карл (1994). «Физические результаты эксперимента UA2 на p p коллайдере CERN» . Международный журнал современной физики А. 09 (17): 2903–2977. Бибкод : 1994IJMPA...9.2903J . дои : 10.1142/S0217751X94001163 .
- ^ Питер Дженни от имени сотрудничества UA2 (17 июля 1982 г.). «Состояние и первые результаты эксперимента UA2» (PDF) . Проверено 5 сентября 2022 г.
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ «Воссоединение семьи за калориметром УА2» . Бюллетень ЦЕРН . ЦЕРН. 3 августа 2015 г. Проверено 28 июля 2017 г.
- ^ «Детектор UA2» . ЦЕРН. 2003 . Проверено 22 июня 2017 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Фруаво, Д.; Дженни, П. (1989). «Физика на усовершенствованном ppbar-коллайдере ЦЕРН». В Альтарелли, Г.; Ди Лелла, Луиджи (ред.). Физика протон-антипротонного коллайдера . Расширенная серия по направлениям физики высоких энергий. Том. 4. Мировое научное издательство.
- ^ Перейти обратно: а б Гесслинг, Клаус; Жаррон, Пьер (2017). «Новый детектор частиц для UA2: сила кремния» . Технологии встречаются с исследованиями: 60 лет технологий ЦЕРН — избранные моменты . Всемирная научная.
- ^ Сотрудничество UA2 (2 декабря 1982 г.). «Наблюдение очень больших струй поперечного импульса на ppbar-коллайдере ЦЕРН» . Физ. Летт. Б. 118 (1–3): 203–210. Бибкод : 1982PhLB..118..203B . дои : 10.1016/0370-2693(82)90629-3 .
{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ О'Луэнай, Сиан (12 марта 2015 г.). «Перенос слабой силы: тридцать лет W-бозона» . ЦЕРН . Проверено 21 июня 2017 г.
- ^ «Эксперименты» . ЦЕРН Курьер, ЦЕРН Открытия. 1983 год . Проверено 22 июня 2017 г.
- ^ «Тридцать лет Z-бозону | ЦЕРН» . дом.церн . Проверено 23 июня 2017 г.
- ^ Ф. Абэ; и др. (1995). «Наблюдение за производством высшего кварка в
п
п
Столкновения с детектором коллайдеров в Фермилабе» . Physical Review Letters . 74 (14): 2626–2631. arXiv : hep-ex/9503002 . Бибкод : 1995PhRvL..74.2626A . doi : 10.1103/PhysRevLett.74.2626 . hdl : 2241/ 103691 . ПМИД 10057978 . - ^ С. Абачи; и др. (1995). «Поиск высокомассового производства топ-кварков в
п
п
Столкновения при √ s = 1,8 ТэВ». Physical Review Letters . 74 (13): 2422–2426. arXiv : -ex/9411001 Бибкод : 1995PhRvL..74.2422A . doi : 10.1103 /PhysRevLett.74.2422 . . 10057924 . hep 119392677 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Архив коллаборации UA2
- Дарриулат, Пьер (2004). «Частицы W и Z: личные воспоминания», Курьер ЦЕРН.
- Ди Лелла, Луиджи; Руббиа, Карло (2015. «Открытие частиц W и Z» за 60 лет экспериментов и открытий ЦЕРН . Сервер документов ЦЕРН: World Scientific
- «Эксперимент» - описание экспериментов UA1 и UA2 от CERN Courier, ноябрь 1983 г.
- Карл Якобс (1994). «Физические результаты эксперимента UA2 на pp-коллайдере ЦЕРН». Сервер документов ЦЕРН: Институт Макса Планка
- Запись эксперимента UA2 на INSPIRE-HEP
