Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Протонно-антипротонный коллайдер
(Sp p S)
SppbarS schematics.png
Ключевые эксперименты Sp p S
UA1Подземный участок 1
UA2Подземная зона 2
UA4Подземная зона 4
UA5Подземная зона 5
Предускорители Sp p S
PSПротонный синхротрон
AAАккумулятор антипротонов
Детектор UA2 показан в открытом положении на протонно-антипротонном коллайдере ЦЕРН в 1982 г.

2 Подземный Площадь (UA2) эксперимент был физике высоких энергий эксперимент на протон-антипротонных коллайдере ( Sp р S ) - модификации Супер протонного синхротрона ( SPS ) - в ЦЕРН . Эксперимент проводился с 1981 по 1990 год [1], и его основная цель заключалась в обнаружении W- и Z-бозонов . UA2 вместе с экспериментом UA1 , удалось обнаружить эти частицы в 1983 году, что привело к 1984 Нобелевской премии по физике присуждением в Руббиа и Симон ван дер Меер. Эксперимент UA2 также обнаружил первые свидетельства 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, за ним следовал Луиджи Ди Лелла с 1986 по 1990 год.

Фон [ править ]

Около 1968 Шелдон Глэшоу , Стивен Вайнберг и А. Салам придумал теорию электрослабого , объединившая электромагнетизм и слабое взаимодействие , и для которых они разделили 1979 Нобелевскую премию по физике . [2] Теория постулировала существование W- и Z-бозонов, и на исследовательское сообщество оказывалось существенное давление, чтобы доказать существование этих частиц экспериментально. В 70-е годы было установлено, что массы W- и Z-бозонов находятся 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 году Карло Руббиа , Питер Макинтайр и Дэвид Клайн предложил изменить ускоритель протонов - в то время ускоритель протонов был уже запущен в Fermilab и один находится в стадии строительства в ЦЕРН (SPS) - в протон - антипротон коллайдера, способен достигать энергии, достаточной для образования W- и Z-бозонов. [4] Предложение было принято в ЦЕРНе в 1978 году, и суперпротонный синхротрон (SPS) был модифицирован, чтобы иногда работать как протон-антипротонный коллайдер (Sp p S). [5]

История [ править ]

29 июня 1978 г. эксперимент UA1 был одобрен. В том же году было сделано два предложения по второму детектору с той же целью, что и UA1. 14 декабря 1978 года предложение Пьера Дарриула , Луиджи Ди Лелла и сотрудников было одобрено. [6] Как и 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 работать в декабре 1981 года. Первоначальное сотрудничество UA2 состояло из примерно 60 физиков из Берна , ЦЕРНа, Копенгагена , Орсе , Павии иСакле .

С 1981 по 1985 годы в экспериментах UA1 и UA2 были собраны данные, соответствующие интегральной светимости приблизительно 0,9  пб -1 . С 1985 по 1987 год Sp p S был модернизирован, и светимость машины увеличилась в 10 раз по сравнению с предыдущими характеристиками. [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 Кембриджа , Гейдельберга , Милана , Перуджи и Пизы присоединились к сотрудничеству, которое выросло до примерно 100 физиков. Во время этой фазы UA2 накапливал данные, соответствующие интегральной светимости13,0 pb -1 за три основных периода работы. [7] После почти десяти лет эксплуатации экспериментальная программа UA2 прекратила работу в конце 1990 года.

Компоненты и работа [ править ]

Гражданское строительство подземного экспериментального зала на LSS4

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

Строительство [ править ]

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, предоставить место для его сборки в «гаражном положении» без выключения 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 [ править ]

UA1 и эксперименты UA2 имели много общего; они оба работали на одном ускорителе и преследовали одну и ту же цель (открыть W- и Z-бозоны ). Основное отличие заключалось в конструкции детектора; UA1 был многоцелевым детектором , тогда как UA2 имел более ограниченную область применения. [1] UA2 была оптимизирована для обнаружения электронов из W и Z распадов . Основное внимание было уделено калориметру с высокой степенью гранулометрии - детектору, измеряющему количество депонированных частиц энергии - со сферической проективной геометрией, который также был хорошо приспособлен для обнаружения адронных струй . [3]Слежение за заряженными частицами производилось в центральном детекторе, а измерения энергии проводились в калориметрах. В отличие от UA1, UA2 не имел мюонного детектора.

Детектор для эксперимента UA2. На рисунке показан детектор после модернизации 1985–1987 годов, когда были добавлены новые калориметры с торцевыми крышками для улучшения поиска топ-кварка и новой физики.

Калориметр имел 24 среза, каждый весом 4 тонны. [8] Эти кусочки были расположены 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 фотоумножителем 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 [ править ]

Модернизация детектора 1985-1987 годов 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. Торцевые калориметры состояли из образцов свинец / сцинтиллятор для электромагнитной части и железо / сцинтиллятор для адронной части. [10] Производительность и степень детализации новых калориметров были настроены так, чтобы соответствовать центральному калориметру, что имело значение для системы запуска.

Электронная идентификация была улучшена за счет использования совершенно нового узла центрального трекинг-детектора, частично состоящего из новаторского детектора с силиконовыми подушечками. 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 окружающего луч. 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 специализированной интегральной схемы.(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]

Результаты [ править ]

Пресс-конференция 25 января 1983 г., когда было объявлено об открытии W-бозона в ЦЕРНе . Справа налево: Карло Руббиа , представитель эксперимента UA1 ; Саймон ван дер Меер , ответственный за разработку метода стохастического охлаждения ; Хервиг Шоппер , генеральный директор ЦЕРН; Эрвин Габатулер , директор по исследованиям CERN, и Пьер Дарриулат , представитель эксперимента UA2.

Адронные струи с большим поперечным импульсом [ править ]

Самый первый результат коллаборации UA2, опубликованный 2 декабря 1982 г., был первым однозначным наблюдением образования адронных струй при высоком поперечном импульсе в результате адронных столкновений. [12] Наблюдения за адронными струями подтвердили, что теория квантовой хромодинамики может описывать грубые особенности сильного партонного взаимодействия . [10]

Открытие бозонов W и Z [ править ]

Коллаборация UA2 и UA1 решила искать W-бозон путем идентификации его лептонного распада, потому что адронные распады, хотя и более частые, имеют больший фон. [3] К концу 1982 года Sp р S достиг достаточно высокой светимости , чтобы разрешить наблюдение и затухает. 22 января 1983 года коллаборация UA2 объявила, что детектор UA2 зарегистрировал четыре события, которые были кандидатами в W-бозон. Это увеличило общее количество событий-кандидатов, замеченных UA1 и UA2, 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 во время сеанса 1982 г., которые показали существование W-бозона. Благодаря усовершенствованным 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 [ править ]

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

За период 1987–1990 гг. UA2 собрал 2065 распадов, и 251 Z распадается на электронные пары, по которым можно было измерить отношение массы W-бозона к массе Z-бозона с точностью до 0,5%. [3] К 1991 г. 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 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 ГэВ до 220 ГэВ [3], недоступное для прямого обнаружения UA2 на Sp p S. В конечном итоге топ-кварк был обнаружен в 1995 году физиками из Фермилаба. с массой около 175 ГэВ.[16] [17]

См. Также [ править ]

  • Список экспериментов суперпротонного синхротрона
  • UA1 эксперимент
  • Карло Руббиа
  • Саймон ван дер Меер
  • W- и Z-бозоны

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e "UA2" . ЦЕРН . Проверено 21 июня 2017 года .
  2. ^ "Нобелевская премия по физике 1979" . Nobelprize.org . 15 октября 1979 . Проверено 28 июля 2017 года .
  3. ^ a b c d e f 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. DOI : 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. 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 . Проверено 24 июля 2017 года .
  7. ^ Якобс, Карл (1994). «Физические результаты эксперимента UA2 на p p коллайдере ЦЕРНа » . Международный журнал современной физики А . 09 (17): 2903–2977. Bibcode : 1994IJMPA ... 9.2903J . DOI : 10.1142 / S0217751X94001163 .
  8. ^ "Семейное воссоединение для калориметра UA2" . Бюллетень ЦЕРН . ЦЕРН. 3 августа 2015 года . Проверено 28 июля 2017 года .
  9. ^ "Детектор UA2" . ЦЕРН. 2003 . Проверено 22 июня 2017 года .
  10. ^ a b c Фройдо, D .; Дженни, П. (1989). "Физика на усовершенствованном коллайдере ppbar CERN". В Altarelli, G .; Ди Лелла, Луиджи (ред.). Физика протон-антипротонного коллайдера . 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 исследование: 60 лет технологии ЦЕРН - избранные моменты . World Scientific.
  12. ^ UA2 Collaboration (2 декабря 1982). «Наблюдение очень больших струй с поперечным импульсом на коллайдере ppbar в ЦЕРНе» . Phys. Lett. B . 118 (1–3): 203–210. Bibcode : 1982PhLB..118..203B . DOI : 10.1016 / 0370-2693 (82) 90629-3 .
  13. ^ O'Luanaigh, Киан (12 марта 2015). «Несение слабой силы: тридцать лет W-бозона» . ЦЕРН . Проверено 21 июня 2017 года .
  14. ^ «Эксперименты» . Курьер ЦЕРН, Открытия ЦЕРН. 1983 . Проверено 22 июня 2017 года .
  15. ^ "Тридцать лет Z-бозона | ЦЕРН" . home.cern . Проверено 23 июня 2017 .
  16. ^ Ф. Абэ; и другие. (1995). "Наблюдение за образованием топ-кварка вппСтолкновения с Collider Detector в Fermilab» . Physical Review Letters , . 74 (14):. 2626-2631 Arxiv : геп-ех / 9503002 . Bibcode : 1995PhRvL..74.2626A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.74.2626 . PMID  10057978 .
  17. ^ С. Абачи; и другие. (1995). "Поиск высокомассового производства топ-кварка в
    п

    п
    Коллизии при √ сек  = 1,8 ТэВ». Physical Review Letters . 74 (13):. 2422-2426 Arxiv : геп-ех / 9411001 . Bibcode : 1995PhRvL..74.2422A . Дои : 10,1103 / PhysRevLett.74.2422 . PMID  10057924 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Архив коллаборации UA2
  • Дарриулат, Пьер (2004). «Частицы W и Z: личное воспоминание», CERN Courier
  • Ди Лелла, Луиджи; Руббиа, Карло (2015. «Открытие частиц W и Z» за 60 лет экспериментов и открытий в ЦЕРНе. Сервер документов ЦЕРН: World Scientific
  • "Эксперимент" - описание экспериментов UA1 и UA2 из ЦЕРН Курьер, ноябрь 1983 г.
  • Карл Якобс (1994). "Физические результаты эксперимента UA2 на коллайдере ЦЕРН pp". Сервер документов ЦЕРН: Институт Макса Планка
  • Список всех публикаций UA2 Collaboration