Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Чтобы узнать о других значениях «CDF», см. CDF (значения) .
Уилсон Холл в Фермилаб
Часть детектора CDF

Collider Detector в Fermilab (CDF) экспериментальных исследования совместных высокоэнергетические столкновения частиц из тэватрона , бывшего самой высокой в мире энергии ускорителя частиц . Цель состоит в том, чтобы обнаружить идентичность и свойства частиц , составляющих Вселенную, и понять силы и взаимодействия между этими частицами.

CDF - это международное сотрудничество, которое на пике своего развития насчитывало около 600 физиков [1] (из примерно 30 американских университетов и национальных лабораторий и примерно 30 групп из университетов и национальных лабораторий из Италии , Японии , Великобритании , Канады , Германии , Испании , Россия , Финляндия , Франция , Тайвань , Корея и Швейцария ). [2] Сам детектор CDF весил около 5000 тонн [3]и был около 12 метров во всех трех измерениях. Цель эксперимента - измерить исключительные события из миллиардов столкновений частиц , чтобы:

Тэватроне столкнулись протоны и антипротоны в системе центра масс энергии около 2 ТэВ. Очень высокая энергия, доступная для этих столкновений, позволила произвести тяжелые частицы, такие как Top-кварк и бозоны W и Z , которые весят намного больше, чем протон (или антипротон ). Эти более тяжелые частицы были идентифицированы по их характерным распадам. Аппарат CDF регистрировал траектории и энергии электронов, фотонов и легких адронов . Нейтрино не регистрировалось в аппарате, что приводило к очевидному отсутствию энергии.. Другие гипотетические частицы могут оставлять недостающую энергетическую сигнатуру, и некоторые поиски новых явлений основаны на этом.

Есть еще один эксперимент, похожий на CDF, называемый D0, в котором детектор был расположен в другой точке кольца Тэватрона.

История CDF [ править ]

На Тэватроне в Фермилабе было два детектора частиц: CDF и D0. CDF предшествовал D0 как первый детектор на Тэватроне. Строительство CDF началось в 1982 году под руководством John Peoples. Тэватрон был завершен в 1983 году, а CDF начал сбор данных в 1985 году. [4]

За прошедшие годы в CDF были внесены два основных обновления. Первое обновление началось в 1989 году, а второе - в 2001 году. Каждое обновление считалось «пробегом». Run 0 был запуском перед любыми обновлениями, Run I был после первого обновления, а Run II был после второго обновления. Run II включает обновления центральной системы слежения, детекторов перед душем и расширение покрытия мюонов. [5]

После 2004 г. [ править ]

Тэватрон был остановлен в 2011 году.

Открытие топ-кварка [ править ]

Групповое фото CDF Collaboration, 14 апреля 1994 г.。

Одно из самых известных открытий CDF - наблюдение верхнего кварка в феврале 1995 года. [6] Существование верхнего кварка было выдвинуто гипотезой после наблюдения ипсилона в Фермилабе в 1977 году, который, как было обнаружено, состоит из нижнего кварка и кварка. антидонный кварк. Стандартная модель , которая сегодня является наиболее широко принятой теорией , описывающая частиц и взаимодействия, предсказала существование трех поколений кварков. [7] Кварки первого поколения - это верхние и нижние кварки, кварки второго поколения - странные и очаровательные, а кварки третьего поколения - верхние и нижние. Существование нижнего кварка укрепило убеждение физиков в том, что верхний кварк существует. [8]Топ-кварк был самым последним наблюдаемым кварком, в основном из-за его сравнительно большой массы. В то время как массы других кварков колеблются от 0,005 ГэВ (верхний кварк) до 4,7 ГэВ (нижний кварк), верхний кварк имеет массу 175 ГэВ. [9] Только Tevatron Fermilab обладал энергетической способностью производить и обнаруживать верхние анти-верхние пары. Большая масса топ-кварка привела к тому, что топ-кварк распадался почти мгновенно, в течение порядка 10-25 секунд, что делало его чрезвычайно трудным для наблюдения. Стандартная модель предсказывает, что верхний кварк может лептонно распадаться на нижний кварк и W-бозон.. Этот W-бозон может затем распасться на лептон и нейтрино (t → Wb → ѵlb). Таким образом, CDF работал над реконструкцией верхних событий, специально ища доказательства существования нижних кварков, W-бозонов, нейтрино. Наконец, в феврале 1995 года у CDF было достаточно доказательств, чтобы сказать, что они «открыли» топ-кварк. [10]

Как работает CDF [ править ]

Чтобы физики могли понять данные, соответствующие каждому событию, они должны понимать компоненты детектора CDF и то, как он работает. Каждый компонент влияет на то, как будут выглядеть данные. Сегодня 5000-тонный детектор находится в B0 и анализирует миллионы столкновений пучков в секунду. [11] Детектор имеет множество различных слоев. 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: Магнит соленоида
  • Уровень 5: Электромагнитные калориметры.
  • Уровень 6: Адронные калориметры
  • Слой 7: мюонные детекторы

Слой 1: балочная труба [ править ]

Балочная труба - это самый внутренний слой CDF. Трубка пучка - это место, где протоны и антипротоны, движущиеся со скоростью примерно 0,99996 c, сталкиваются лицом к лицу. Каждый из протонов движется очень близко к скорости света с чрезвычайно высокими энергиями. При столкновении большая часть энергии превращается в массу. Это позволяет протонной / антипротонной аннигиляции производить дочерние частицы, такие как топ-кварки с массой 175 ГэВ, намного тяжелее исходных протонов. [12]

Слой 2: кремниевый детектор [ править ]

Кремниевый вершинный детектор CDF
Поперечное сечение кремниевого детектора

Вокруг лучевой трубы находится кремниевый детектор. Этот детектор используется для отслеживания пути заряженных частиц, проходящих через детектор. Кремниевый детектор начинается с радиуса r  = 1,5 см от линии луча и простирается до радиуса r  = 28 см от линии луча. [5] Кремниевый детектор состоит из семи слоев кремния, расположенных в форме цилиндра вокруг лучевой трубы. Кремний часто используется в детекторах заряженных частиц из-за его высокой чувствительности, позволяющей отслеживать вершины и отслеживать с высоким разрешением. [13]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 устойчивы к радиации, что означает, что слои защищены от повреждения радиоактивностью. [5] Кремний отслеживает пути заряженных частиц, проходящих через детектор, путем ионизации кремния. Плотность кремния в сочетании с низкой энергией ионизации кремния позволяет ионизационным сигналам распространяться быстро. [13] Когда частица проходит через кремний, ее положение фиксируется в трех измерениях. Кремниевый детектор имеет разрешение попадания в дорожку 10 мкм и разрешение прицельного параметра 30 мкм. [5]Физики могут посмотреть на этот след ионов и определить путь, по которому прошла частица. [12] Поскольку кремниевый детектор расположен в магнитном поле, кривизна пути через кремний позволяет физикам вычислить импульс частицы. Большая кривизна означает меньший импульс и наоборот.

Уровень 3: центральный внешний трекер (COT) [ править ]

Вне кремниевого детектора центральный внешний трекер работает во многом так же, как и кремниевый детектор, поскольку он также используется для отслеживания путей заряженных частиц и также находится в магнитном поле. Однако COT не изготовлен из кремния. Кремний чрезвычайно дорогой, и его непрактично покупать в больших количествах. COT - это газовая камера, заполненная десятками тысяч золотых проволок, расположенных слоями, и газообразным аргоном. В COT используются провода двух типов: провода считывания и полевые провода. Смысловые провода тоньше и притягивают электроны, которые выделяются газом аргоном при его ионизации. Полевые провода толще, чем сенсорные, и притягивают положительные ионы, образующиеся при высвобождении электронов. [12]Имеется 96 слоев проволоки, каждая из которых расположена на расстоянии примерно 3,86 мм друг от друга. [5] Как и в кремниевом детекторе, когда заряженная частица проходит через камеру, она ионизирует газ. Затем этот сигнал передается на ближайший провод, который затем передается в компьютеры для считывания. COT имеет длину 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 . [5]

Слой 4: соленоидный магнит [ править ]

Соленоидный магнит окружает как СОТ, так и кремниевый детектор. Назначение соленоида - искривлять траекторию заряженных частиц в COT и кремниевом детекторе путем создания магнитного поля, параллельного лучу. [5]Соленоид имеет радиус r = 1,5 м и длину 4,8 м. Кривизна траектории частиц в магнитном поле позволяет физикам вычислить 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 создавая мощное магнитное поле. [12]

Слои 5 и 6: электромагнитный и адронный калориметры [ править ]

Калориметры количественно определяют общую энергию частиц путем преобразования энергии частиц в видимый свет с помощью полистирольных сцинтилляторов. CDF использует два типа калориметров: электромагнитные калориметры и адронные калориметры. Электромагнитный калориметр измеряет энергию легких частиц, а адронный калориметр измеряет энергию адронов. [12] В центральном электромагнитном калориметре используются чередующиеся листы свинца и сцинтиллятора. Каждый слой свинца составляет примерно 20 мм ( 3 ⁄ 4 в) широкий. Свинец используется для остановки частиц при их прохождении через калориметр, а сцинтиллятор используется для количественной оценки энергии частиц. Адронный калориметр работает примерно так же, за исключением того, что в адронном калориметре вместо свинца используется сталь. [5] Каждый калориметр образует клин, состоящий из электромагнитного калориметра и адронного калориметра. Эти клинья имеют длину около 2,4 м (8 футов) и расположены вокруг соленоида. [12]

Слой 7: мюонные детекторы [ править ]

Последний «слой» детектора состоит из мюонных детекторов. Мюоны - это заряженные частицы, которые могут образовываться при распаде тяжелых частиц. Эти высокоэнергетические частицы практически не взаимодействуют, поэтому мюонные детекторы стратегически расположены в самом дальнем от лучевой трубы слое за большими стальными стенками. Сталь гарантирует, что только частицы чрезвычайно высоких энергий, такие как нейтрино и мюоны, проходят через мюонные камеры. [12] Есть два аспекта мюонных детекторов: плоские дрейфовые камеры и сцинтилляторы. Имеется четыре слоя плоских дрейфовых камер, каждая из которых способна регистрировать мюоны с поперечным импульсом p T > 1,4 ГэВ / c. [5]Эти дрейфовые камеры работают так же, как и COT. Они заполнены газом и проволокой. Заряженные мюоны ионизируют газ, и сигнал передается на считывание по проводам. [12]

Заключение [ править ]

Понимание различных компонентов детектора важно, потому что детектор определяет, как будут выглядеть данные и какой сигнал можно ожидать для каждой из ваших частиц. Важно помнить, что детектор - это в основном набор препятствий, используемых для принуждения частиц к взаимодействию, позволяющих физикам «видеть» присутствие определенной частицы. Если заряженный кварк проходит через детектор, свидетельством наличия этого кварка будет искривленная траектория в кремниевом детекторе и энергия, выделенная СОТ в калориметре. Если нейтральная частица, такая как нейтрон, проходит через детектор, в COT и кремниевом детекторе не будет трека, а будет выделена энергия в адронном калориметре. Мюоны могут появляться в COT и кремниевом детекторе, а также в виде вложенной энергии в мюонных детекторах. Точно так же нейтрино,которые редко, если вообще когда-либо взаимодействуют, выражаются только в форме недостающей энергии.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Тобак, Дэвид (2017-06-30). «CDF издает 700 статей» . Фермилаб - Новости в действии . Проверено 5 января 2021 .
  2. ^ а б Йо, Джон (2005-04-20). «Краткое введение в эксперимент CDF» . Детектор коллайдера в Фермилабе . Проверено 5 января 2020 .
  3. ^ Браун, Малкольм В. (1995-03-01). «Top Quark остается загадкой, но только на один день (опубликовано в 1995 году)» . Нью-Йорк Таймс . ISSN 0362-4331 . Проверено 5 января 2021 . 
  4. ^ Жан, Рейзинг. «Историко-архивный проект». О Фермилабе - История и архивы проекта - Главная страница. 2006. Национальная ускорительная лаборатория Ферми. 10 мая 2009 г. http://history.fnal.gov/
  5. ^ a b c d e f g h i "Краткое описание детектора CDF во втором прогоне". (2004): 1-2.
  6. ^ Килминстер, Бен. "ЦФР" Итоги недели "в Фермилаб сегодня". Детектор коллайдера в Фермилабе. Детектор коллайдера в Фермилаб. 28 апреля 2009 г. < http://www-cdf.fnal.gov/rotw/CDF_ROW_descriptions.html >.
  7. ^ "Стандартная модель" . ЦЕРН . ЦЕРН . Проверено 28 мая 2019 .
  8. ^ Ланкфорд, Энди. «Открытие топ-кварка». Детектор коллайдера в Фермилаб. 25 апреля 2009 г. < http://www.ps.uci.edu/physics/news/lankford.html >.
  9. ^ «Кварковая диаграмма». Приключение с частицами. Группа данных по частицам. 5 мая 2009 г. < http://www3.fi.mdp.edu.ar/fc3/particle/quark_chart.html [ постоянная мертвая ссылка ] >.
  10. ^ Куигг, Крис. «Открытие топ-кварка». 1996. Национальная ускорительная лаборатория Ферми. 8 мая 2009 г. < http://lutece.fnal.gov/Papers/PhysNews95.html >.
  11. ^ Иох, 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 >
  12. ^ a b c d e f g h Ли, Дженни (2008). Детектор коллайдера в Фермилабе. Получено 26 сентября 2008 г. с веб-сайта виртуального тура CDF: http://www-cdf.fnal.gov/
  13. ^ a b "Детекторы частиц". Группа данных по частицам. 24 июля 2008 г. Национальная ускорительная лаборатория им. Ферми. 11 мая 2009 г. < http://pdg.lbl.gov/2008/reviews/rpp2008-rev-particle-detectors.pdf >.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Миры внутри атома, статья в National Geographic, май 1985 г.

Внешние ссылки [ править ]

  • Страница новостей Фермилаб
  • Детектор коллайдера в Фермилабе (CDF)