Экспериментальное сотрудничество Collider Detector at Fermilab ( CDF ) изучает столкновения частиц высокой энергии с Tevatron , бывшего в мире ускорителя частиц с самой высокой энергией . Цель состоит в том, чтобы раскрыть идентичность и свойства частиц , из которых состоит вселенная, и понять силы и взаимодействия между этими частицами.
CDF — это международное сотрудничество, которое на пике своего развития состояло из около 600 физиков [1] (из около 30 американских университетов и национальных лабораторий и около 30 групп из университетов и национальных лабораторий Италии , Японии , Великобритании , Канады , Германии , Испании , России , Финляндии , Франции , Тайваня , Кореи и Швейцарии ). [2] Сам детектор CDF весил около 5000 тонн [3] и имел размер около 12 метров во всех трех измерениях. Целью эксперимента является измерение исключительных событий из миллиардов столкновений частиц для того, чтобы:
Теватрон сталкивал протоны и антипротоны при энергии центра масс около 2 ТэВ. Очень высокая энергия, доступная для этих столкновений, позволила производить тяжелые частицы, такие как топ-кварк и W- и Z-бозоны, которые весят намного больше, чем протон (или антипротон ). Эти более тяжелые частицы были идентифицированы по их характерным распадам. [4] Аппарат CDF зарегистрировал траектории и энергии электронов, фотонов и легких адронов . Нейтрино не регистрировались в аппарате, что привело к кажущейся потере энергии . [5]
Существует еще один эксперимент, похожий на CDF, называемый DØ , в котором детектор располагался в другой точке кольца Теватрона.
На Теватроне в Фермилабе располагались два детектора частиц : CDF и DØ. CDF появился раньше DØ как первый детектор на Теватроне. Истоки CDF восходят к 1976 году, когда Фермилаб основал Отдел встречных пучков под руководством Джима Кронина . Этот отдел занимался разработкой как ускорителя, который будет производить встречные пучки частиц, так и детектора, который будет анализировать эти столкновения. Когда лаборатория распустила этот отдел в конце 1977 года, она основала Отдел установки встречных детекторов под руководством Элвина Толлеструпа . В 1980 году Рой Швиттерс стал заместителем руководителя CDF и KEK в Японии, а Национальная лаборатория Фраскати в Италии присоединилась к сотрудничеству. Сотрудничество завершило концептуальный проектный отчет для CDF летом 1981 года, а строительство зала столкновений началось 1 июля 1982 года. Лаборатория открыла детектор CDF 11 октября 1985 года, а CDF наблюдал первые столкновения протонов и антипротонов на Тэватроне 13 октября 1985 года. [6]
За эти годы было сделано два крупных обновления CDF. Первое обновление началось в 1989 году, а второе — в 2001 году. Каждое обновление считалось «запуском». Запуск 0 был запуском до любых обновлений (1988–1989), Запуск I был после первого обновления, а Запуск II был после второго обновления. Обновления для Запуска I включали добавление кремниевого вершинного детектора (первый такой детектор, установленный в эксперименте на адронном коллайдере), [7] усовершенствования центральной мюонной системы, добавление системы отслеживания вершин, добавление центральных камер предварительного излучателя и усовершенствования считывающей электроники и компьютерных систем. [8] Запуск II включал обновления центральной системы отслеживания, предливневых детекторов и расширение покрытия мюонов. [9]
CDF собирал данные до закрытия Теватрона в 2011 году, но ученые CDF продолжают анализировать данные, собранные в ходе эксперимента. [10]
Одним из самых известных открытий CDF является наблюдение верхнего кварка в феврале 1995 года. [11] Гипотеза о существовании верхнего кварка была выдвинута после наблюдения ипсилона в Фермилабе в 1977 году, который, как было обнаружено, состоит из нижнего кварка и анти-нижнего кварка. Стандартная модель , наиболее широко принятая теория, описывающая частицы и их взаимодействия, предсказывает существование трех поколений кварков. [12] Кварки первого поколения — это верхний и нижний кварки, кварки второго поколения — странные и очарованные, а третьего поколения — верхний и нижний. Существование нижнего кварка укрепило убежденность физиков в существовании верхнего кварка. [13] Верхний кварк был последним из наблюдавшихся кварков, в основном из-за его сравнительно большой массы. В то время как массы других кварков варьируются от 0,005 ГэВ (верхний кварк) до 4,7 ГэВ (нижний кварк), верхний кварк имеет массу 175 ГэВ. [14] Только Теватрон Фермилаба обладал энергетической способностью производить и обнаруживать пары верхних антиверхних. Большая масса верхнего кварка приводила к тому, что верхний кварк распадался почти мгновенно, в течение порядка 10−25 секунд , что делало его чрезвычайно трудным для наблюдения. Стандартная модель предсказывает, что верхний кварк может распадаться лептонно на нижний кварк и W-бозон . Этот W-бозон затем может распадаться на лептон и нейтрино (t→Wb→ѵlb). Поэтому CDF работал над реконструкцией верхних событий, специально ища доказательства существования нижних кварков, W-бозонов и нейтрино. Наконец, в феврале 1995 года у CDF было достаточно доказательств, чтобы сказать, что они «открыли» верхний кварк. [15] 24 февраля экспериментаторы CDF и DØ одновременно представили статьи в Physical Review Letters, описывающие наблюдение верхнего кварка. Два сотрудничества публично объявили об открытии на семинаре в Fermilab 2 марта, а статьи были опубликованы 3 апреля. [16]
В 2019 году Европейское физическое общество присудило премию Европейского физического общества по физике высоких энергий и элементарных частиц 2019 года коллаборациям CDF и DØ «за открытие топ-кварка и детальное измерение его свойств». [17]
25 сентября 2006 года коллаборация CDF объявила, что они обнаружили, что B-sub-s-мезон быстро колеблется между материей и антиматерией со скоростью 3 триллиона раз в секунду, явление, называемое осцилляциями B–Bbar . [18]
8 января 2007 года коллаборация CDF объявила, что они достигли самого точного в мире измерения массы W-бозона с помощью одного эксперимента. Это дало новые ограничения на возможную массу тогда еще не открытого бозона Хиггса . [19] [20]
7 апреля 2022 года коллаборация CDF объявила в статье, опубликованной в журнале Science , что они провели самое точное измерение массы W-бозона и обнаружили, что его фактическая масса значительно превышает массу, предсказанную Стандартной моделью, и массы, которые были измерены ранее. [21] В 2023 году эксперимент ATLAS на Большом адронном коллайдере опубликовал улучшенное измерение массы W-бозона, 80 360 ± 16 МэВ, что соответствует предсказаниям Стандартной модели. [22] [23]
Ученые CDF также открыли несколько других частиц, включая B-sub-c мезон [24] (объявлено 5 марта 1998 г.); сигма-sub-b барионы, барионы, состоящие из двух верхних кварков и нижнего кварка и двух нижних кварков и нижнего кварка (объявлено 23 октября 2006 г.); [25] каскадные b барионы, состоящие из нижнего, странного и нижнего кварка (открыты совместно с DØ и объявлено 15 июня 2007 г.); [26] и омега-sub-b барионы, состоящие из двух странных кварков и нижнего кварка (объявлено в июне 2009 г.). [27]
Для того чтобы физики могли понять данные, соответствующие каждому событию, они должны понимать компоненты детектора CDF и то, как работает детектор. Каждый компонент влияет на то, как будут выглядеть данные. Сегодня 5000-тонный детектор находится в B0 и анализирует миллионы столкновений пучков в секунду. [28] Детектор спроектирован во многих различных слоях. 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:
Труба пучка — это самый внутренний слой CDF. Труба пучка — это место, где протоны и антипротоны, движущиеся со скоростью приблизительно 0,99996 с, сталкиваются лоб в лоб. Каждый из протонов движется чрезвычайно близко к скорости света с чрезвычайно высокими энергиями. При столкновении большая часть энергии преобразуется в массу. Это позволяет протонно-антипротонной аннигиляции производить дочерние частицы, такие как верхние кварки с массой 175 ГэВ, намного тяжелее исходных протонов. [29]
_silicon_vertex_detector.JPG/1280px-Collider_Detector_at_Fermilab_(CDF)_silicon_vertex_detector.JPG)
_silicon_vertex_detector_cross_section.JPG/1280px-Collider_Detector_at_Fermilab_(CDF)_silicon_vertex_detector_cross_section.JPG)
Вокруг пучковой трубы находится кремниевый детектор. Этот детектор используется для отслеживания пути заряженных частиц, когда они проходят через детектор. Кремниевый детектор начинается в радиусе r = 1,5 см от линии пучка и простирается до радиуса r = 28 см от линии пучка. [9] Кремниевый детектор состоит из семи слоев кремния, расположенных в форме бочки вокруг пучковой трубы. Кремний часто используется в детекторах заряженных частиц из-за его высокой чувствительности, что позволяет получать вершины и трекинг с высоким разрешением. [30] Первый слой кремния, известный как слой 00, представляет собой односторонний детектор, предназначенный для отделения сигнала от фона даже в условиях экстремальной радиации. Остальные слои являются двухсторонними и радиационно-стойкими, что означает, что слои защищены от повреждения радиоактивностью. [9] Кремний отслеживает пути заряженных частиц, когда они проходят через детектор, путем ионизации кремния. Плотность кремния в сочетании с низкой энергией ионизации кремния позволяют сигналам ионизации быстро проходить. [30] Когда частица проходит через кремний, ее положение будет регистрироваться в трех измерениях. Кремниевый детектор имеет разрешение трека попадания 10 мкм и разрешение параметра удара 30 мкм. [9] Физики могут посмотреть на этот след ионов и определить путь, который прошла частица. [29] Поскольку кремниевый детектор расположен в магнитном поле, кривизна пути через кремний позволяет физикам вычислить импульс частицы. Большая кривизна означает меньший импульс и наоборот.
За пределами кремниевого детектора центральный внешний трекер работает во многом так же, как и кремниевый детектор, поскольку он также используется для отслеживания траекторий заряженных частиц и также находится в магнитном поле. Однако COT не сделан из кремния. Кремний чрезвычайно дорог и непрактичен для покупки в больших количествах. COT представляет собой газовую камеру, заполненную десятками тысяч золотых проводов, расположенных слоями, и газом аргоном. В COT используются два типа проводов: измерительные провода и полевые провода. Измерительные провода тоньше и притягивают электроны, которые высвобождаются газом аргоном при его ионизации. Полевые провода толще измерительных проводов и притягивают положительные ионы, образующиеся при высвобождении электронов. [29] Имеется 96 слоев проводов, и каждый провод расположен на расстоянии примерно 3,86 мм друг от друга. [9] Как и в кремниевом детекторе, когда заряженная частица проходит через камеру, она ионизирует газ. Этот сигнал затем передается на ближайший провод, который затем передается на компьютеры для считывания. COT имеет длину приблизительно 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 удара 140 мкм и разрешение импульса 0,0015 (ГэВ/с) −1 . [9]
Соленоидный магнит окружает как COT, так и кремниевый детектор. Цель соленоида — искривление траектории заряженных частиц в COT и кремниевом детекторе путем создания магнитного поля, параллельного пучку. [9] Соленоид имеет радиус r = 1,5 м и длину 4,8 м. Кривизна траектории частиц в магнитном поле позволяет физикам вычислять импульс каждой из частиц. Чем выше кривизна, тем ниже импульс и наоборот. Поскольку частицы имеют такую высокую энергию, необходим очень сильный магнит, чтобы искривить пути частиц. Соленоид — это 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. [29]
Калориметры количественно определяют полную энергию частиц, преобразуя энергию частиц в видимый свет через полистирольные сцинтилляторы. CDF использует два типа калориметров: электромагнитные калориметры и адронные калориметры. Электромагнитный калориметр измеряет энергию легких частиц, а адронный калориметр измеряет энергию адронов. [29] Центральный электромагнитный калориметр использует чередующиеся листы свинца и сцинтиллятора. Каждый слой свинца имеет ширину приблизительно 20 мм ( 3 ⁄ 4 дюйма). Свинец используется для остановки частиц, когда они проходят через калориметр, а сцинтиллятор используется для количественной оценки энергии частиц. Адронный калориметр работает во многом таким же образом, за исключением того, что адронный калориметр использует сталь вместо свинца. [9] Каждый калориметр образует клин, который состоит как из электромагнитного калориметра, так и из адронного калориметра. Эти клинья имеют длину около 2,4 м (8 футов) и расположены вокруг соленоида. [29]
Последний «слой» детектора состоит из мюонных детекторов. Мюоны — это заряженные частицы, которые могут образовываться при распаде тяжелых частиц. Эти высокоэнергетические частицы почти не взаимодействуют, поэтому мюонные детекторы стратегически размещены в самом дальнем слое от пучковой трубы за большими стенками из стали. Сталь гарантирует, что только чрезвычайно высокоэнергетические частицы, такие как нейтрино и мюоны, пройдут в мюонные камеры. [29] Мюонные детекторы имеют два аспекта: планарные дрейфовые камеры и сцинтилляторы. Существует четыре слоя планарных дрейфовых камер, каждая из которых способна обнаруживать мюоны с поперечным импульсом p T > 1,4 ГэВ/c. [9] Эти дрейфовые камеры работают так же, как COT. Они заполнены газом и проводами. Заряженные мюоны ионизируют газ, и сигнал передается на считывание по проводам. [29]
Понимание различных компонентов детектора важно, поскольку детектор определяет, как будут выглядеть данные и какой сигнал можно ожидать увидеть для каждой частицы. Детектор — это, по сути, набор препятствий, используемых для того, чтобы заставить частицы взаимодействовать, что позволяет физикам «увидеть» присутствие определенной частицы. Если заряженный кварк проходит через детектор, доказательством этого кварка будет искривленная траектория в кремниевом детекторе и COT, отложенная энергия в калориметре. Если нейтральная частица, такая как нейтрон, проходит через детектор, не будет никакого трека в COT и кремниевом детекторе, но будет отложенная энергия в адронном калориметре. Мюоны могут появляться в COT и кремниевом детекторе и как отложенная энергия в мюонных детекторах. Аналогично, нейтрино, которое редко, если вообще когда-либо, взаимодействует, будет выражать себя только в форме недостающей энергии.