UA2 эксперимент - UA2 experiment

Протонно-антипротонный коллайдер
(SpпS)
SppbarS schematics.png
Key SpпS эксперименты
UA1Подземный участок 1
UA2Подземная зона 2
UA4Подземная зона 4
UA5Подземная зона 5
SpпS предускорители
PSПротонный синхротрон
AAАккумулятор антипротонов
Детектор UA2 показан в открытом положении на протонно-антипротонном коллайдере ЦЕРН в 1982 г.

В Подземный участок 2 (UA2) эксперимент был физика высоких энергий эксперимент в Протонно-антипротонный коллайдер (SpпS) - модификация Супер протонный синхротрон (СПС) - в ЦЕРН. Эксперимент длился с 1981 по 1990 год.[1] и его главной целью было открыть W- и Z-бозоны. UA2 вместе с UA1 эксперимент, удалось обнаружить эти частицы в 1983 году, что привело к Нобелевская премия по физике присуждается Карло Руббиа и Саймон ван дер Меер. Эксперимент UA2 также обнаружил первые доказательства того, что реактивное производство в адрон столкновений в 1981 году и участвовал в поисках верхний кварк и из суперсимметричные частицы. Пьер Дарриулат был представителем UA2 с 1981 по 1986 год, затем Луиджи Ди Лелла с 1986 по 1990 гг.

Фон

Около 1968 г. Шелдон Глэшоу, Стивен Вайнберг, и Абдус Салам придумал электрослабая теория, который объединил электромагнетизм и слабые взаимодействия, и для которого они разделили 1979 Нобелевская премия по физике.[2] Теория постулировала существование W- и Z-бозонов, и давление на исследовательское сообщество с целью экспериментального доказательства существования этих частиц было существенным. В 70-е годы было установлено, что в массах W- и Z-бозоны 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 в эксплуатации в то время.[3] В 1976 г. Карло Руббиа, Питер Макинтайр и Дэвид Клайн предложили доработать ускоритель протонов - в то время ускоритель протонов уже работал на Фермилаб и один строился в ЦЕРНе (SPS) - в протон –антипротон коллайдер, способный достигать энергии, достаточной для образования W- и Z-бозонов.[4] Предложение было принято ЦЕРН в 1978 году, а Супер протонный синхротрон (SPS) был изменен, чтобы иногда работать как протон-антипротонный коллайдер (SpпS).[5]

История

29 июня 1978 г. UA1 эксперимент было одобрено. В том же году было сделано два предложения по второму детектору с той же целью, что и UA1. 14 декабря 1978 г. предложение Пьер Дарриулат, Луиджи Ди Лелла и соавторов, был одобрен.[6] Нравиться UA1 UA2 был подвижным детектором, специально построенным вокруг лучевой трубы коллайдера, который искал столкновения протонов с антипротонами на предмет сигнатур частиц W и Z.[1] Эксперимент UA2 начал работу в декабре 1981 года. Первоначальная коллаборация UA2 состояла из примерно 60 физиков из разных стран. Берн, ЦЕРН, Копенгаген, Орсе, Павия и Saclay.

С 1981 по 1985 годы в экспериментах UA1 и UA2 были собраны данные, соответствующие интегральной светимости приблизительно 0.9 pb−1. С 1985 по 1987 гг.пS был модернизирован, а яркость машины увеличились в 10 раз по сравнению с предыдущей производительностью.[3] Субдетекторы UA2 также были модернизированы, что сделало детектор герметичным, что увеличило его способность измерять недостающую поперечную энергию.

Вторая экспериментальная фаза длилась с 1987 по 1990 год. Группы из Кембридж, Гейдельберг, Милан, Перуджа и Пиза присоединился к коллаборации, которая выросла до около 100 физиков. Во время этой фазы UA2 накапливал данные, соответствующие интегральной светимости 13.0 пб−1 в трех основных периодах работы.[7] После почти десяти лет эксплуатации экспериментальная программа UA2 прекратила работу в конце 1990 года.

Компоненты и работа

Строительство подземного экспериментального зала на LSS4

Эксперименты UA1 и UA2 записывали данные во время столкновения протонов с антипротонами и возвращались после периодов сбора данных, так что SPS мог вернуться к работе с фиксированной целью. UA2 перемещался на воздушных подушках при снятии с балочной трубы СПпС.[1]

Строительство

Эксперимент UA2 проводился примерно в 50 метрах под землей, в кольце СПС /SpпS ускоритель, и был размещен в большой пещере. Пещера была достаточно большой, чтобы разместить детектор, предоставить место для его сборки в «гаражном положении» без отключения ускорителя и туда, где он также был перемещен обратно после периодов сбора данных. Таким образом, ускоритель мог вернуться к работе с фиксированной целью после периодов работы в качестве коллайдера.[1]

Детекторы

В UA1 и эксперименты UA2 имели много общего; они оба работали на одном ускорителе и оба преследовали одну и ту же цель (обнаружить W- и Z-бозоны ). Основное отличие заключалось в конструкции детектора; UA1 был многоцелевым детектор, в то время как UA2 имел более ограниченную область применения.[1] UA2 оптимизирован для обнаружения электронов от W и Z распадается. Акцент был сделан на детализации калориметр - детектор, измеряющий количество депонированных частиц энергии - со сферической проективной геометрией, который также был хорошо приспособлен для обнаружения адронный струи.[3] Слежение за заряженными частицами осуществлялось в центральном детекторе, а измерения энергии проводились в калориметрах. В отличие от UA1, UA2 не имел мюон детектор.

Детектор для эксперимента UA2. На снимке детектор после модернизации 1985-1987 гг., Когда новая заглушка калориметры были добавлены для улучшения поиска верхний кварк и новая физика.

В калориметре было 24 среза, каждый весом 4 тонны.[8] Эти кусочки располагались вокруг точки столкновения, как дольки апельсина. Частицы, выброшенные в результате столкновения, вызвали ливни вторичных частиц в слоях тяжелого материала. Эти ливни проходили через слои пластиковых сцинтилляторов, генерируя свет, который считывался с помощью фотоумножитель электроникой сбора данных. Количество света было пропорционально энергии исходной частицы. Точная калибровка центрального калориметра позволила измерить массы W и Z с точностью около 1%.[9]

Доработки детектора

Модернизация детектора в 1985–1987 годах была направлена ​​на два аспекта: полное покрытие калориметра и лучшая идентификация электронов при более низких поперечных импульсах.[10] Первый аспект был решен путем замены торцевых крышек новыми калориметрами, которые закрывали области 6-40 ° по отношению к направлению луча, тем самым герметично закрывая детектор. Концевые калориметры состояли из свинца /сцинтиллятор выборки для электромагнитной части и железо / сцинтиллятор для адронной части.[10] Производительность и степень детализации новых калориметров были настроены таким образом, чтобы соответствовать центральному калориметру, что имело значение для системы запуска.

Электронная идентификация была улучшена за счет использования совершенно новой центральной сборки детектора слежения, частично состоящей из новаторского детектора с силиконовой подушечкой. В 1989 году коллаборация продвинула эту концепцию еще дальше, разработав детектор с кремниевой подушечкой (SPD) с более тонкой сегментацией площадок для размещения непосредственно вокруг лучевой трубы в зоне столкновения.[11] Этот детектор был построен в виде цилиндра, плотно прилегающего к трубке луча. Детектор должен был уместиться в доступном пространстве менее 1 см. Поэтому было необходимо миниатюризировать компоненты детектора. Это было достигнуто с помощью двух совершенно новых технологий: кремниевого датчика и Интегральная схема для конкретного приложения (ASIC). Существующая электроника была слишком громоздкой, поэтому пришлось разработать новую ASIC. Это был первый кремниевый трекер, адаптированный для экспериментов с коллайдером, технология, предшествующая нынешним кремниевым детекторам.[11]

Полученные результаты

На пресс-конференции 25 января 1983 г. было объявлено об открытии W-бозон в ЦЕРН. Справа налево: Карло Руббиа, представитель UA1 эксперимент; Саймон ван дер Меер, ответственный за разработку стохастическое охлаждение техника; Хервиг Шоппер, Генеральный директор ЦЕРН; Эрвин Габатулер, Директор по исследованиям CERN, и Пьер Дарриулат, представитель эксперимента UA2.

Адронные струи с большим поперечным импульсом

Самый первый результат коллаборации UA2, опубликованный 2 декабря 1982 г., был первым однозначным наблюдением образования адронных струй при высоком поперечном импульсе в результате столкновений адронов.[12] Наблюдения за адронными струями подтвердили, что теория квантовая хромодинамика может описать грубые черты сильного партон взаимодействие.[10]

Открытие W- и Z-бозонов

Коллаборация UA2 и UA1 решила искать W-бозон путем идентификации его лептонный распад, потому что адронный распады, хотя и более частые, имеют больший фон.[3] К концу 1982 г.пS 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 в W-бозон. В результате общее количество событий-кандидатов, замеченных UA1 и UA2, увеличилось до 10. Три дня спустя ЦЕРН сделал публичное объявление о том, что W-бозон был обнаружен.[13]

Следующим шагом было отслеживание Z-бозона. Однако теория гласила, что Z-бозон будет в десять раз реже, чем W-бозон. Поэтому в экспериментах потребовалось несколько раз собрать данные, собранные в ходе сеанса 1982 г., которые показали существование W-бозона. Благодаря улучшенным методам и методам, яркость была значительно увеличена.[14] Эти усилия увенчались успехом, и 1 июня 1983 г. в ЦЕРНе было сделано официальное объявление об открытии Z-бозона.[15]

Найдите верхний кварк

На протяжении всех запусков с модернизированным детектором коллаборация UA2 конкурировала с экспериментами на Фермилаб в США в поисках верхний кварк. Физики ожидали его существования с 1977 года, когда его партнер - нижний кварк - был открыт. Было ощущение, что открытие топ-кварка неизбежно.

За период с 1987 по 1990 год UA2 собрал 2065 единиц. распадается, а 251 Z распадается на электронные пары, из которых отношение массы W-бозона и массы Z-бозона может быть измерено с точностью до 0,5%.[3] К 1991 году стало доступно точное измерение массы Z-бозона с помощью LEP. Используя отношение массы W к массе Z, можно было провести первое точное измерение массы W. Эти значения массы могут быть использованы для предсказания топ-кварка по его виртуальному влиянию на массу W. Результат этого исследования дал значение массы топ-кварка в диапазоне от 110 ГэВ до 220 ГэВ,[3] вне досягаемости для прямого обнаружения UA2 на SpпS. Топ-кварк был открыт в 1995 году физиками Фермилаба с массой около 175 ГэВ.[16][17]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е «UA2». ЦЕРН. Получено 21 июн 2017.
  2. ^ "Нобелевская премия по физике 1979 г.". Nobelprize.org. 15 октября 1979 г.. Получено 28 июля 2017.
  3. ^ а б c d е ж Ди Лелла, Луиджи; Руббия, Карло (2015). «Открытие W- и Z-бозонов». 60 лет экспериментов и открытий ЦЕРН. Продвинутая серия по направлениям физики высоких энергий. 23. World Scientific. С. 137–163. Дои:10.1142/9789814644150_0006. ISBN  978-981-4644-14-3.
  4. ^ Rubbia, C .; McIntyre, P .; Клайн, Д. (8 июня 1976 г.). Получение массивных нейтральных промежуточных векторных бозонов с помощью существующих ускорителей. Международная конференция по нейтрино, 1976 год. Аахен, Германия.
  5. ^ Криг, Джон (1996). "Проект ppbar. I. Коллайдер". В Криге, Джон (ред.). История ЦЕРН. Том III. Амстердам: Северная Голландия. С. 207–251.
  6. ^ Баннер, М; и другие. (31 января 1978 г.). «Предложение по изучению антипротон-протонных взаимодействий при энергии СМ 540 ГэВ» (PDF). Комитет СФС. Получено 24 июля 2017.
  7. ^ Якобс, Карл (1994). "Физические результаты эксперимента UA2 в ЦЕРНе pп коллайдер". Международный журнал современной физики A. 09 (17): 2903–2977. Bibcode:1994IJMPA ... 9.2903J. Дои:10.1142 / S0217751X94001163.
  8. ^ «Семейное воссоединение на калориметре UA2». Бюллетень ЦЕРН. ЦЕРН. 3 августа 2015 г.. Получено 28 июля 2017.
  9. ^ «Детектор UA2». ЦЕРН. 2003 г.. Получено 22 июн 2017.
  10. ^ а б c Froidvaux, D .; Дженни, П. (1989). "Физика на усовершенствованном коллайдере ppbar CERN". В Altarelli, G .; Ди Лелла, Луиджи (ред.). Протон-антипротонный коллайдер Физика. Продвинутая серия по направлениям физики высоких энергий. 4. Мировое научное издательство.
  11. ^ а б Гёсслинг, Клаус; Джаррон, Пьер (2017). "Новый детектор частиц для UA2: сила кремния". Технология встречает исследования: 60 лет технологии ЦЕРН - избранные моменты. World Scientific.
  12. ^ UA2 Collaboration (2 декабря 1982 г.). «Наблюдение очень больших струй с поперечным импульсом на коллайдере ppbar в ЦЕРНе». Phys. Lett. B. 118 (1–3): 203–210. Bibcode:1982ФЛБ..118..203Б. Дои:10.1016/0370-2693(82)90629-3.
  13. ^ О'Луаней, Киан (12 марта 2015 г.). "Несение слабой силы: тридцать лет W-бозона". ЦЕРН. Получено 21 июн 2017.
  14. ^ «Эксперименты». Курьер ЦЕРН, Открытия ЦЕРН. 1983 г.. Получено 22 июн 2017.
  15. ^ "Тридцать лет Z-бозону | ЦЕРН". home.cern. Получено 2017-06-23.
  16. ^ Ф. Абэ; и другие. (1995). "Наблюдение за образованием топ-кварка в
    п

    п
     Столкновения с детектором коллайдера в Фермилабе "    . Письма с физическими проверками. 74 (14): 2626–2631. arXiv:hep-ex / 9503002. Bibcode:1995ПхРвЛ..74.2626А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.74.2626. PMID  10057978.
  17. ^ С. Абачи; и другие. (1995). "Поиск высокомассивных топ-кварков в
    п

    п
     Столкновения на √s = 1,8 ТэВ ". Письма с физическими проверками. 74 (13): 2422–2426. arXiv:hep-ex / 9411001. Bibcode:1995ПхРвЛ..74.2422А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.74.2422. PMID  10057924.

внешняя ссылка