Эксперимент DØ (иногда пишется как эксперимент D0 или эксперимент DZero ) был всемирным сотрудничеством ученых, проводивших исследования фундаментальной природы материи . DØ был одним из двух основных экспериментов (другим был эксперимент CDF ), проводимых на коллайдере Теватрон в Фермилабе в Батавии, штат Иллинойс . Теватрон был самым высокоэнергетическим ускорителем в мире с 1983 по 2009 год, когда его энергию превзошел Большой адронный коллайдер . [1] Эксперимент DØ прекратил сбор данных в 2011 году, когда Теватрон был закрыт, [2] но анализ данных все еще продолжается. Детектор DØ сохраняется в здании сборки DØ Фермилаба как часть исторической экспозиции для публичных экскурсий. [3]
Исследования DØ сосредоточены на точном изучении взаимодействий протонов и антипротонов при самых высоких доступных энергиях. Эти столкновения приводят к «событиям», содержащим множество новых частиц, созданных путем преобразования энергии в массу в соответствии с соотношением E=mc2 . Исследования включают интенсивный поиск субатомных ключей, которые раскрывают характер строительных блоков вселенной. [4]
В 1981 году директор Fermilab Леон М. Ледерман запросил предварительные предложения по «скромному детектору, построенному скромной группой», который был бы расположен в области взаимодействия «DØ» в кольце Теватрона и дополнял бы запланированный детектор коллайдера в Fermilab . [5] Более пятнадцати групп представили предложения. Три из этих предложений были объединены в одно усилие под руководством Пола Гранниса , которое официально началось 1 июля 1983 года. Группа подготовила отчет о проекте в ноябре 1984 года. Детектор был завершен в 1991 году, он был помещен в Теватрон в феврале 1992 года и наблюдал свое первое столкновение в мае 1992 года. [6] [7] Он регистрировал данные с 1992 по 1996 год, когда он был закрыт для серьезной модернизации. Его второй запуск начался в 2001 году и продолжался до сентября 2011 года. По состоянию на 2019 год анализ данных все еще продолжается. [8]
Эксперимент DØ представляет собой международное сотрудничество, в котором на пике своей деятельности участвовало около 650 физиков из 88 университетов и национальных лабораторий 21 страны. [9] [10] В ходе эксперимента изучались столкновения протонов и антипротонов, циркулирующих в Тэватроне, с целью проверки многих аспектов Стандартной модели физики элементарных частиц .
Детектор DØ состоял из нескольких вложенных групп субдетекторов, окружающих область, где сталкивались пучки протонов и антипротонов. Субдетекторы обеспечивали более миллиона каналов электроники [11] , которые собирались, оцифровывались и регистрировались для офлайн-анализа. Около 10 миллионов столкновений [12] пучков протонов и антипротонов проверялись каждую секунду, и до 500 столкновений в секунду регистрировались для дальнейших исследований. [13]
DØ проводил свои научные исследования в шести физических группах: Higgs, Top, Electroweak, New Phenomena, QCD и B Physics. В каждой из них были достигнуты значительные успехи. [14]
Одной из ранних целей эксперимента DØ было открытие верхнего кварка [15], последнего из шести компонентов материи, предсказанных Стандартной моделью физики элементарных частиц. Эксперименты DØ и CDF собирали данные для поиска, но они использовали разные методы наблюдения и анализа, которые позволяли независимо подтверждать результаты друг друга.
24 февраля 1995 года DØ и CDF представили исследовательские работы в Physical Review Letters, описывающие наблюдение пар топ-кварков и антитоп-кварков, полученных в результате сильного взаимодействия. [16] 2 марта 1995 года два коллектива совместно сообщили об открытии топ-кварка с массой около175 ГэВ/ c2 (почти как у ядра золота). [ 17] [18] [19]
4 марта 2009 года коллаборации DØ и CDF объявили об открытии образования одиночных топ-кварков посредством слабого взаимодействия. Этот процесс происходит примерно в два раза медленнее, чем образование пар топ-кварков, но его гораздо труднее наблюдать, поскольку его сложнее отличить от фоновых процессов, которые могут создавать ложные сигналы. Исследования одиночных топ-кварков использовались для измерения времени жизни топ-кварка, составляющего около 5 × 10−25 секунд , измерения последнего неизвестного элемента матрицы CKM смешивания кварков между поколениями и поиска новой физики за пределами Стандартной модели. [20]
Точные измерения свойств топ-кварка, таких как масса, заряд, моды распада, характеристики образования и поляризация, были опубликованы в более чем ста публикациях.
Европейское физическое общество присудило премию Европейского физического общества по физике высоких энергий и элементарных частиц 2019 года коллаборациям DØ и CDF «за открытие топ-кварка и детальное измерение его свойств». [21]
В последующие годы одной из главных физических целей эксперимента DØ был поиск бозона Хиггса , существование которого предсказывалось Стандартной моделью , но с неизвестной массой. [22] До своего завершения в 2000 году эксперименты LEP в ЦЕРНе исключили существование такого бозона Хиггса с массой меньше114,4 ГэВ/ c2 . [23] В 2010 году DØ и CDF расширили запрещенную область, включив в нее окно около160 ГэВ/ c2 . [ 24]
2 июля 2012 года, предвосхищая объявление ЦЕРНа об открытии бозона Хиггса, коллаборации DØ и CDF объявили о своих доказательствах (примерно с тремя стандартными отклонениями) распада бозонов Хиггса в конечные состояния доминирующего b-кварка, что указывало на то, что масса частицы составляет от 115 до 135 ГэВ/c2 . [ 25] 4 июля 2012 года эксперименты ЦЕРНа ATLAS и CMS объявили об открытии бозона Хиггса с массой 125 ГэВ/c2 . [ 26]
Методы, разработанные на Теватроне для поиска бозона Хиггса, послужили трамплином для последующих анализов на Большом адронном коллайдере. [27]
Свойства W- и Z-бозонов, передающих слабую ядерную силу, являются чувствительными индикаторами внутренней согласованности Стандартной модели. В 2012 году DØ измерил массу W-бозона с относительной точностью лучше 0,03%, исключив многие потенциальные модели новой физики. [28]
Эксперименты DØ и CDF были объединены для измерения асимметрии вперед-назад в распадах Z-бозонов (тенденция положительных лептонов распада появляться ближе к направлению входящего протона чаще, чем отрицательных лептонов распада). Из этих измерений асимметрии был измерен слабый угол смешивания, управляющий нарушением электрослабой симметрии на отдельные электромагнитные и слабые силы с точностью лучше 0,15%. Этот результат имеет сопоставимую точность с экспериментами на электрон-позитронном коллайдере в ЦЕРНе и SLAC и помогает разрешить давнюю напряженность между этими измерениями. [29]
Хотя эксперименты B-фабрики в KEK , SLAC и IHEP в Пекине, а также эксперимент LHCb в ЦЕРНе доминировали во многих аспектах изучения адронов, содержащих b- или c-кварки, DØ внес заметный вклад, используя большие выборки, содержащие все тяжелые ароматические адроны, которые можно наблюдать по их распадам на мюоны.
В июле 2006 года коллаборация DØ опубликовала первые доказательства преобразования B s -мезона (содержащего анти-b-кварк и странный кварк) в его античастицу. Переход происходит примерно 20 триллионов раз в секунду. Если бы существовали новые частицы помимо тех, что в Стандартной модели, эта скорость была бы изменена. [30]
14 мая 2010 года коллаборация DØ объявила о тенденции к образованию b- и анти-b-кварков в столкновениях протонов и антипротонов чаще, чем к паре положительно заряженных мюонов. [31] Эта тенденция, вместе с измерениями асимметрии одиночных мюонов, может помочь объяснить асимметрию материи и антиматерии, ответственную за доминирование материи во Вселенной. [32] Однако экспериментальные результаты физиков на Большом адронном коллайдере показали, что «отличие от Стандартной модели незначительно». [33]
12 июня 2007 года коллаборация DØ представила статью в Physical Review Letters, в которой сообщалось об открытии новой частицы, названной Ξ b (произносится как «зиг саб b») с массой5,774 ± 0,019 ГэВ/ c 2 , что примерно в шесть раз больше массы протона. Барион Ξ b состоит из нижнего , странного и нижнего кварков, что делает его первым наблюдаемым барионом, образованным из кварков всех трех поколений материи. [34]
Первоначальные гипотезы кварков Мюррея Гелл-Манна и Джорджа Цвейга отметили, что возможны экзотические мезоны, содержащие два кварка и два антикварка (вместо просто кварка и антикварка). Примеры были наконец обнаружены 40 лет спустя в случаях, когда экзотический мезон содержит более характерные тяжелые b- и c-кварки. DØ внес новый вклад в понимание этих экзотических состояний тяжелого аромата. [35]
Квантовая хромодинамика (КХД) — это теория сильного взаимодействия, в которой кварки и глюоны взаимодействуют посредством квантового свойства, аналогичного электрическому заряду для электромагнетизма, называемого «цветом». КХД делает количественные предсказания для образования струй (коллимированных спреев частиц, выделяющихся из рассеянных кварков или глюонов), фотонов и W- или Z-бозонов. DØ опубликовал основополагающую серию статей, исследующих образование струй как функцию энергии пучка, энергии струи и угла образования струи, согласующихся с теоретическими предсказаниями. Примечательным результатом 2012 года от DØ стало измерение очень высокоэнергетических струй, образующихся под большими углами рассеяния. Это происходит, когда отдельные кварки несут более половины энергии своего родительского протона или антипротона, несмотря на то, что протон и антипротон обычно состоят из десятков кварков и глюонов. Измерение отлично согласуется с предсказаниями. В серии публикаций, в которых наблюдались две пары струй или фотонов, возникающих в результате двух независимых рассеяний кварков и глюонов в пределах одной встречи протона и антипротона, картина этих скоростей показала, что пространственная протяженность глюонов внутри протона меньше, чем у кварков. [36]
Детектор DØ состоял из нескольких «субдетекторов», которые были сгруппированы в три оболочки, окружающие точку столкновения. Самая внутренняя оболочка представляла собой Центральную систему слежения, состоящую из детекторов слежения, заключенных в сверхпроводящий магнит. Они были окружены второй оболочкой, состоящей из калориметров, которые измеряли энергию электронов, фотонов и адронов и идентифицировали «струи» частиц, возникающих из рассеянных кварков и глюонов. Третья оболочка, мюонная система, имела камеры слежения и сцинтилляционные панели до и после намагниченных твердых железных магнитов для идентификации мюонов. Весь детектор был заключен за бетонной стеной из блоков, которая действовала как радиационные экраны. Детектор имел размеры около 10 м × 10 м × 20 м и весил около 5500 тонн. Он хранится в здании сборки DØ Фермилаб как часть публичной исторической экспозиции. [37]
Центральная система слежения имела два субдетектора для измерения положения треков заряженных частиц и магнитное поле, заставляющее треки изгибаться, что позволяло измерять их импульсы.
Кремниевый микрополосковый трекер был расположен сразу за лучевыми трубами Теватрона. Пять стволов, концентрических с пучками, и 16 дисков с полосами, перпендикулярными пучкам, обеспечивали точные измерения координат заряженных треков. Они помогли определить импульсы частиц и отличить те частицы, которые появились из первичной точки столкновения, от тех, которые прошли конечное расстояние перед распадом, как тау-лептоны и адроны, содержащие b-кварки. Он состоял из примерно 800 000 кремниевых полос шириной 50 микрон, способных измерять местоположение трека с точностью до примерно 10 микрон. Внешний радиус кремниевых детекторов был ограничен 10 см из-за их высокой стоимости. [38] Кремниевый микрополосковый трекер был установлен в детекторе для программы коллайдера Tevatron Run II, которая началась в 2001 году. [39] Он был полностью функционален к апрелю 2002 года. [40] [41]
За пределами кремниевого трекера цилиндрический сцинтилляционный волоконный трекер занимал радиальную область между 20 и 52 см и 2,5 м вдоль линии пучка. Частицы пересекали восемь слоев сцинтилляционных волокон диаметром 835 микрон. Эти волокна производили фотоны, когда частица проходила через них. [42] Свет от каждого из более чем 75 000 волокон передавался на твердотельные датчики, которые создавали электронные сигналы, которые оцифровывались и регистрировались. Пространственная точность волоконного трекера составляла около 100 микрон. [43]
Сверхпроводящий соленоидный магнит располагался непосредственно за пределами волоконного трекера и создавал магнитное поле 2 Тл в объеме кремния и волоконного трекера. [44]
Система калориметра состояла из трех калориметров отбора проб (цилиндрический центральный калориметр и два концевых калориметра), межкриостатного детектора и предливневого детектора. [45] Задачей калориметров и связанных с ними субдетекторов было измерение энергии электронов, фотонов, заряженных и нейтральных адронов. Это достигалось, когда падающие частицы проходили через несколько слоев плотного инертного материала, в котором они взаимодействовали и создавали вторичные частицы. Все такие вторичные частицы называются ливнем. Энергия частицы-прародителя распределялась между многими частицами ливня с гораздо более низкой энергией, которые в конечном итоге останавливались, и в этот момент ливень заканчивался. Между слоями инертного материала располагались детекторы, в которых измерялась ионизация частиц. Полный сигнал ионизации, суммированный по ливню, пропорционален энергии частицы-прародителя. [46]
Цилиндрический слой полосок предливневого излучения на основе сцинтиллятора был помещен непосредственно снаружи соленоида и считывался с помощью волоконных датчиков трекинга. Аналогичные детекторы предливневого излучения закрывали концы области трекинга. Материал в соленоиде, дополненный свинцовыми листами, заставлял первичные электроны и фотоны начинать ливень вторичных частиц. Таким образом, детектор предливневого излучения был первым этапом калориметрии и давал точное местоположение точки удара частицы.
Центральный калориметр снаружи и два торцевых калориметра, закрывающих соленоид, содержали отдельные секции для измерения электромагнитных частиц и адронов. Уран был выбран для инертных пластин-поглотителей из-за его очень высокой плотности. Активные зазоры содержали жидкий аргон с сильным электрическим полем, применяемым для сбора ионизации пролетающих частиц на тонко сегментированных плоскостях медных электродов. Эти сигналы были объединены в 50 000 сигналов, которые измеряли энергию частиц и поперечные и продольные формы ливня, что помогало идентифицировать тип частицы. Каждый калориметр содержал около шестидесяти модулей уран-жидкий аргон общим весом от 240 до 300 метрических тонн. Общая толщина калориметра составляла около 175 см, чтобы полностью поглотить ливни наиболее энергичных частиц от столкновения. Сосуды из нержавеющей стали, необходимые для размещения модулей при температуре жидкого аргона (-190 °C), были относительно толстыми, поэтому между центральным и конечным калориметрами были вставлены сцинтилляционные детекторы для компенсации потерь энергии в стенках криостата.
Первостепенной задачей калориметрии является идентификация струй, брызг частиц, созданных при выходе кварков и глюонов из точки столкновения. Идентификация струй и измерение их направлений и энергий позволяют проводить анализы для воссоздания импульсов основных кварков и глюонов в первичном столкновении. [47]
Самая внешняя оболочка детектора была предназначена для обнаружения мюонов . Мюоны высокой энергии встречаются довольно редко и, таким образом, являются явным признаком интересных столкновений. В отличие от большинства частиц, они не поглощались в калориметрах, поэтому треки, наблюдаемые за калориметрами, были, скорее всего, мюонами. Сцинтилляционные плоскости обеспечивали быструю сигнатуру, используемую для обозначения интересных событий. Одна станция камер слежения до и две станции после твердых железных магнитов регистрируют треки мюонов. Железо большого центрального магнита было извлечено из циклотрона НАСА, построенного для моделирования радиационного повреждения в космосе. [48] [49]
Каждую секунду в детекторе происходило около 10 миллионов столкновений протонов и антипротонов . Поскольку это намного превышало вычислительные возможности, только часть этих событий могла быть сохранена на ленте в секунду. Поэтому была реализована сложная система сбора данных (DAQ), которая определяла, какие события были достаточно «интересными», чтобы быть записанными на ленту, а какие можно было выбросить. [50] [51] Система триггеров использовала электронные сигналы для идентификации событий, представляющих интерес, таких как те, которые содержали электроны, мюоны, фотоны, струи высокой энергии или частицы, которые прошли некоторое расстояние перед распадом. Первый уровень триггеров использовал быстрые электронные сигналы от каждого субдетектора, чтобы в течение нескольких микросекунд решить, следует ли приостановить сбор данных и оцифровать сигналы. Было принято около 10 000 таких триггеров уровня 1. Второй уровень триггеров уточнял выбор, используя оцифрованные сигналы от нескольких субдетекторов в сочетании, чтобы сформировать более детализированный профиль событий, сокращая пул событий-кандидатов до 1000 событий в секунду. На третьем уровне ферма компьютеров анализировала цифровую информацию в урезанной версии полного автономного компьютерного кода, чтобы выдавать до 100 событий в секунду для постоянной записи и последующего анализа на больших автономных компьютерных фермах. Работа триггерной системы представляла собой тонкий баланс между максимизацией количества сохраненных событий и минимизацией времени простоя, возникающего при их сборе. Она должна была быть надежной и прочной, поскольку миллионы событий, не выбранных триггером, терялись навсегда. [52]