Гаргамель - Gargamelle - Wikipedia

Вид на детектор пузырьковой камеры Гаргамель в Западном зале на ЦЕРН, Февраль 1977 г.
Палата Гаргамеля в настоящее время выставлена ​​в ЦЕРНе.

Гаргамель был тяжелая жидкость пузырьковая камера детектор в эксплуатации на ЦЕРН между 1970 и 1979 годами. Он был разработан для обнаружения нейтрино и антинейтрино, которые производились пучком из Протонный синхротрон (PS) между 1970 и 1976 годами, до того, как детектор был перемещен в Супер протонный синхротрон (СПС).[1] В 1979 году в пузырьковой камере была обнаружена непоправимая трещина, и детектор был списан. В настоящее время он является частью Выставка "Микрокосм" в ЦЕРН, открытый для публики.

Гаргамель известен тем, что был экспериментом, в котором нейтральные токи были обнаружены. Найден в июле 1973 г. нейтральные токи были первым экспериментальным указанием на существование Z0 бозон, и, следовательно, важный шаг к проверке электрослабая теория.

Гаргамель может относиться как к самому детектору пузырьковой камеры, так и к физика высоких энергий эксперимент с таким же названием. Само название происходит из романа XVI века автора Франсуа Рабле, Жизнь Гаргантюа и Пантагрюэля, в котором великанша Гаргамель - мать Гаргантюа.[1]

Фон

Событие, в котором электрон и нейтрино изменяет импульс и / или энергию путем обмена нейтральным Z0 бозон. Ароматизаторы не затронуты.

В серии отдельных произведений 1960-х гг. Шелдон Глэшоу, Стивен Вайнберг, и Абдус Салам придумал теорию, которая объединила электромагнитный и слабое взаимодействие между элементарные частицы - в электрослабая теория - для чего они разделили 1979 Нобелевская премия по физике.[2] Их теория предсказывала существование W± и Z0 бозоны в качестве пропагандистов слабая сила. W± бозоны имеют электрический заряд, либо положительный (Вт+) или отрицательный (W−), Z0Однако не требует никакой оплаты. Обмен Z0 бозонные переводы импульс, вращение, и энергия но оставляет частицы квантовые числа незатронутый - заряд, вкус, барионное число, лептонное число и т. д. Поскольку нет передачи электрического заряда, замена Z0 упоминается как "нейтральный ток ". Нейтральные токи были предсказанием электрослабой теории.

В 1960 г. Мелвин Шварц предложил способ получения энергетического пучок нейтрино.[3] Эта идея была использована Шварцем и другими в эксперименте в 1962 г. Brookhaven, который продемонстрировал существование мюон и электронное нейтрино. Шварц разделил 1988 год Нобелевская премия по физике за это открытие.[4] До идеи Шварца слабые взаимодействия изучались только при распаде элементарных частиц, особенно странные частицы. Использование этих новых нейтринных пучков значительно увеличило энергию, доступную для изучения слабого взаимодействия. Гаргамель был одним из первых экспериментов, в которых использовался пучок нейтрино, полученный с помощью пучка протонов от PS.

Пузырьковая камера - это просто контейнер, наполненный перегретой жидкостью. Заряженная частица, проходящая через камеру, покинет ионизация дорожка, вокруг которой жидкость испаряется, образуя микроскопические пузырьки. Вся камера находится в постоянном магнитном поле, в результате чего следы заряженных частиц искривляются. Радиус кривизны пропорционален импульсу частицы. Следы фотографируются, и, изучая следы, можно узнать о свойствах обнаруженных частиц. Пучок нейтрино, прошедший через пузырьковую камеру Гаргамеля, не оставил следов в детекторе, поскольку нейтрино не имеют заряда. Таким образом, взаимодействия с нейтрино были обнаружены путем наблюдения за частицами, возникающими в результате взаимодействия нейтрино с составляющими вещества. Нейтрино очень малы поперечные сечения, свидетельство того, что вероятность взаимодействия очень мала. В то время как пузырьковые камеры обычно заполнены жидкий водород Гаргамель был наполнен тяжелой жидкостью - CBrF3 (Фреон) - увеличивает вероятность увидеть взаимодействия нейтрино.[1]

Концепция и конструкция

Установка корпуса камеры Гаргамель. Размещение камеры в магнитных катушках продолговатой формы.

Область нейтринная физика в 60-х годах быстро расширялась. Эксперименты по нейтрино с использованием пузырьковых камер проводились уже на первых порах. синхротрон в ЦЕРН, PS и вопрос о следующем поколении пузырьковых камер были на повестке дня в течение некоторого времени. Андре Лагарриг, уважаемый физик École Polytechnique в Париже и некоторые из его коллег написали первый опубликованный отчет от 10 февраля 1964 года, в котором предлагалось построить камеру с тяжелой жидкостью под наблюдением ЦЕРН.[5] Он сформировал коллаборацию, состоящую из семи лабораторий: École Polytechnique Paris, RWTH Ахен, ULB Брюссель, Istituto di Fisica dell'Università di Milano, ЛАЛ Орсе, Университетский колледж Лондона и ЦЕРН.[6] Группа собралась в Милане в 1968 году, чтобы перечислить приоритеты физики для эксперимента: сегодня Гаргамель известен своим открытием нейтральных токов, но при подготовке программы по физике эта тема даже не обсуждалась, и в окончательном предложении она оценивается как пятое по приоритету.[7] В то время не было единого мнения относительно теории электрослабого взаимодействия, которая могла бы объяснить список приоритетов. Кроме того, более ранние эксперименты по поиску нейтральных токов в распаде нейтральный каон на два заряженных лептоны, измерил очень маленькие 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, решил выделить деньги самостоятельно, последний предложил ссуду ЦЕРНу для покрытия взноса, причитающегося к 1966 году.[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 с использованием его исполнительных полномочий.

Камера Гаргамель была полностью построена в Saclay. Хотя строительство затянулось примерно на два года, он был наконец собран в ЦЕРНе в декабре 1970 года, а первый важный запуск произошел в марте 1971 года.[5]

Экспериментальная установка

Внутри пузырьковой камеры. На стенках камеры видны линзы «рыбий глаз».

Камера

Гаргамель был 4,8 метра в длину и 2 метра в диаметре и содержал 12 кубических метров тяжелого жидкого фреона. Чтобы искривлять следы заряженных частиц, Гаргамель окружали магнитом, обеспечивающим поле 2 Тесла. Катушки магнита были сделаны из меди, охлаждаемой водой, и повторяли продолговатую форму Гаргамеля. Чтобы поддерживать жидкость при соответствующей температуре, корпус камеры окружали несколько водяных трубок для регулирования температуры. Вся установка весила более 1000 тонн.

При записи события камера освещалась и фотографировалась. Система освещения испускала свет, который рассеивался пузырьками под углом 90 ° и направлялся в оптику. Источник света состоял из 21 точечной вспышки, расположенной на концах корпуса камеры и над половиной цилиндра.[8] Оптика была расположена в противоположной половине цилиндра, распределена в два ряда, параллельных оси камеры, по четыре оптики в каждом ряду. Объектив состоит из набора линз с угловым полем 90 °, за которыми следует расходящаяся линза, расширяющая поле до 110 °.

Пучок нейтрино

Схема луча между PS и Гаргамель пузырьковая камера

Гаргамель был разработан для обнаружения нейтрино и антинейтрино. Источником нейтрино и антинейтрино служил пучок протонов с энергией 26 ГэВ от ПС. Протоны извлекались магнитом и затем направлялись через соответствующий набор квадрупольных и дипольных магнитов, обеспечивая необходимые степени свободы в положении и ориентации для настройки луча на мишень. Мишень представляла собой цилиндр из бериллий Длиной 90 см и диаметром 5 мм.[8] Материал мишени выбирался таким образом, чтобы адроны, образующиеся при столкновении, в основном были пионы и каоны, которые оба распадаются на нейтрино. Образовавшиеся пионы и каоны имеют различные углы и энергии, и, следовательно, их продукты распада также будут иметь огромный разброс по импульсам. Поскольку нейтрино не имеют заряда, их нельзя сфокусировать с помощью электрических или магнитных полей. Вместо этого вторичные частицы фокусируются с помощью магнитный рог, изобретенный лауреатом Нобелевской премии Саймон ван дер Меер. Форму рупора и силу магнитного поля можно настроить, чтобы выбрать диапазон частиц, которые должны быть лучше сфокусированы, в результате чего пучок нейтрино с выбранным диапазоном энергий распада каонов и пионов. Путем изменения направления тока через рупор можно произвести луч антинейтрино. Гаргамель поочередно работал в нейтринном и антинейтрино пучках. Изобретение Ван дер Меера увеличило поток нейтрино в 20 раз. Пучок нейтрино имел энергию от 1 до 10 ГэВ.

В магнитный рог из Саймон ван дер Меер используется в нейтрино луч на Гаргамель.

После фокусировки пионы и каоны были направлены через туннель длиной 70 м, что позволило им распасться. Пионы и каоны, которые не распадались, ударялись о щит в конце туннеля и поглощались. При распаде пионы и каоны обычно распадаются в π→μ + ν и K→μ + ν, что означает, что поток нейтрино будет пропорционален потоку мюонов. Поскольку мюоны не поглощались как адроны, поток заряженных мюонов был остановлен процессом электромагнитного замедления при длительном экранировании. Поток нейтрино измерялся через соответствующий поток мюонов с помощью шести плоскостей кремний-золотых детекторов, размещенных на разной глубине в защите.[8]

В течение 1971-1976 годов были достигнуты значительные улучшения в интенсивности, сначала с новым инжектором для PS - Протонный синхротронный ускоритель - во-вторых, тщательным изучением лучевой оптики.

Результаты и открытия

Это событие показывает настоящие треки, созданные в Гаргамелле. пузырьковая камера это обеспечило первое подтверждение лептонный нейтральное текущее взаимодействие. А нейтрино взаимодействует с электрон, след которого виден горизонтально и выходит как нейтрино, не производя мюон.

Первым главным заданием Гаргамеля был поиск свидетельств жесткого рассеяния мюон-нейтрино и антинейтрино выключенный нуклоны. Приоритеты изменились в марте 1972 г., когда появились первые намеки на существование адронный нейтральный ток стал очевиден.[9] Тогда было решено предпринять двойную атаку в поисках нейтральных нынешних кандидатов. Одна строка будет искать лептонный события - события, связанные с взаимодействием с электрон в жидкости, например
ν
μ +
е−
 →
ν
μ +
е−
 или же
ν
μ +
е−
 →
ν
μ +
е−
. Другая строка будет искать адронный события - с участием нейтрино, рассеянного на адроне, например
ν
 +
п
 →
ν
 +
п
,
ν
 +
п
 →
ν
 +
п
 +
π−
 или же
п
 →
ν
 +
п
 +
π+
, плюс события с большим количеством адронов. Лептонные события имеют небольшие поперечные сечения, но соответственно небольшой фон. Адронные события имеют более крупный фон, в основном из-за нейтронов, образующихся при взаимодействии нейтрино в материале вокруг камеры. Нейтроны, поскольку они не имеют заряда, не будут обнаружены в пузырьковой камере, а обнаружение их взаимодействий будет имитировать события нейтральных токов. Чтобы уменьшить нейтронный фон, энергия адронных событий должна была быть больше 1 ГэВ.

Первый пример лептонного события был обнаружен в декабре 1972 г. в Гаргамелле аспирантом из Аахен. 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 зависел от интерпретации адронных событий. Проблема была решена путем изучения событий заряженного тока, которые также имели ассоциированное нейтронное взаимодействие, которое удовлетворяло отбору адронных событий.[10] Таким образом, можно контролировать нейтронный фоновый поток. 19 июля 1973 года коллаборация Гаргамель представила открытие нейтральных токов на семинаре в ЦЕРНе.

Коллаборация Гаргамель открыла как лептонный нейтральные токи - события, связанные с взаимодействием нейтрино с электроном - и адронный нейтральные токи - события, когда нейтрино рассеивается на нуклоне. Открытие было очень важным, так как поддерживало электрослабая теория, сегодня столп Стандартная модель. Окончательное экспериментальное доказательство электрослабой теории пришло в 1983 году, когда UA1 и UA2 сотрудничество обнаружил W± и Z0 бозоны.

Первоначально первоочередной задачей Гаргамеля было измерение нейтринных и антинейтринных сечений и структурные функции. Причина в том, чтобы проверить кварковая модель нуклона. Сначала было показано, что сечения нейтрино и антинейтрино линейны с энергией, что и ожидается от рассеяния точечных составляющих в нуклоне. Комбинирование структурных функций нейтрино и антинейтрино позволило определить чистое количество кварков в нуклоне, и это хорошо согласуется с 3. Кроме того, сравнение результатов нейтрино с результатами из Стэнфордский центр линейных ускорителей (SLAC) в США с помощью электронного луча было обнаружено, что кварки имеют дробные заряды, и экспериментально доказаны значения этих зарядов: +2⁄3 е, −​1⁄3 е. Результаты были опубликованы в 1975 году и предоставили решающее доказательство существования кварков.[11]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c "Гаргамель". ЦЕРН. Получено 12 августа 2017.
  2. ^ "Нобелевская премия по физике 1979 г.". Nobelprize.org. 15 октября 1979 г.. Получено 28 июля 2017.
  3. ^ Шварц, М. (15 марта 1960 г.). «Возможность использования нейтрино высоких энергий для изучения слабых взаимодействий». Письма с физическими проверками. 4 (6): 306–307. Bibcode:1960ПхРвЛ ... 4..306С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.4.306.
  4. ^ «Нобелевская премия по физике 1988 г .: пресс-релиз». Nobelprize.org. Получено 16 августа 2017.
  5. ^ а б c Пестре, Доминик (1996). Гаргамель и BEBC. Как были выбраны две последние гигантские пузырьковые камеры в Европе. Амстердам: Северная Голландия. С. 39–97.
  6. ^ Хайдт, Дитер (2015). «Открытие слабых нейтральных токов». У Шоппера, Хервига; Ди Лелла, Луиджи (ред.). 60 лет экспериментов и открытий ЦЕРН. Сингапур: World Scientific. стр. 165–185. Получено 12 августа 2017.
  7. ^ "Предложение об эксперименте с нейтрино в Гаргамелле". 16 марта 1970 г. CERN-TCC-70-12. Получено 12 августа 2017. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  8. ^ а б c Musset, P .; Виалле, Дж. П. (1978). «Нейтринная физика с Гаргамелем». В Джейкоб, М. (ред.). Калибровочные теории и физика нейтрино. Амстердам: Издательство Северной Голландии. С. 295–425.
  9. ^ а б Канди, Дональд; Кристина, Саттон. «Гаргамель: история гигантского открытия». ЦЕРН Курьер. ЦЕРН. Получено 15 августа 2017.
  10. ^ Канди, Дональд (1 июля 1974 г.). Физика нейтрино. 17-я Международная конференция по физике высоких энергий. Лондон: ЦЕРН. С. 131–148.
  11. ^ Deden, H .; и другие. (27 января 1975 г.). "Экспериментальное исследование структурных функций и правил сумм в заряжающих взаимодействиях нейтрино и антинейтрино на нуклонах" (PDF). Ядерная физика B. 85 (2): 269–288. Bibcode:1975НуФБ..85..269Д. Дои:10.1016/0550-3213(75)90008-5. Получено 18 августа 2017.

дальнейшее чтение