Эксперимент DØ (иногда называемый экспериментом D0 или экспериментом DZero ) был всемирным сотрудничеством ученых, проводивших исследования фундаментальной природы материи . DØ был одним из двух крупных экспериментов (вторым был эксперимент CDF ), проведенных на коллайдере Тэватрон в Фермилабе в Батавии, штат Иллинойс . Тэватрон был ускорителем с самой высокой энергией в мире с 1983 по 2009 год, когда его мощность превзошла Большой адронный коллайдер . [1] Эксперимент DØ прекратил сбор данных в 2011 году, когда Тэватрон закрылся, [2] но анализ данных все еще продолжается. Детектор DØ хранится в сборочном здании DØ лаборатории Фермилаб как часть исторической выставки для общественных экскурсий. [3]
Исследования DØ сосредоточены на точных исследованиях взаимодействий протонов и антипротонов при самых высоких доступных энергиях. Эти столкновения приводят к «событиям», содержащим множество новых частиц, созданных в результате преобразования энергии в массу согласно соотношению E=mc 2 . Исследование включает в себя интенсивный поиск субатомных ключей, которые раскрывают характер строительных блоков Вселенной. [4]
В 1981 году директор Фермилаборатории Леон М. Ледерман запросил предварительные предложения по «скромному детектору, построенному группой небольшого размера», который будет расположен в области взаимодействия «DØ» в кольце Тэватрона и дополнит запланированный детектор коллайдеров в Фермилабе . [5] Предложения представили более пятнадцати групп. Три из этих предложений были объединены в одну попытку под руководством Пола Гранниса , которая официально началась 1 июля 1983 года. Группа подготовила отчет о конструкции в ноябре 1984 года. Детектор был завершен в 1991 году, в феврале его поместили в Тэватрон. В 1992 году он наблюдал свое первое столкновение в мае 1992 года. [6] [7] Он записывал данные с 1992 по 1996 год, когда он был остановлен для капитальной модернизации. Второй его запуск начался в 2001 году и продлился до сентября 2011 года. По состоянию на 2019 год анализ данных все еще продолжается. [8]
Эксперимент DØ — это международное сотрудничество, в котором на пике своего развития участвовало около 650 физиков из 88 университетов и национальных лабораторий из 21 страны. [9] [10] Он изучал столкновения между протонами и антипротонами, циркулирующими в Тэватроне, чтобы проверить многие аспекты Стандартной модели физики элементарных частиц .
Детектор DØ состоял из нескольких вложенных друг в друга групп субдетекторов, окружающих область столкновения протонов и антипротонов пучка. Субдетекторы предоставили более миллиона каналов электроники [11] , которые были собраны, оцифрованы и зарегистрированы для автономного анализа. Каждую секунду проверялось около 10 миллионов столкновений [12] пучков протонов и антипротонов, а для дальнейших исследований регистрировалось до 500 столкновений в секунду. [13]
DØ проводил свои научные исследования в рамках шести физических групп: Хиггса, Топа, Электрослабой, Новых явлений, КХД и B-физики. В каждом из них были достигнуты значительные успехи. [14]
Одной из первых целей эксперимента DØ было открытие топ-кварка, [15] последнего из шести компонентов материи, предсказанных Стандартной моделью физики элементарных частиц. Эксперименты DØ и CDF собирали данные для поиска, но в них использовались разные методы наблюдения и анализа, которые позволяли независимо подтверждать выводы друг друга.
24 февраля 1995 года DØ и CDF представили в журнал Physical Review Letters исследовательские работы , описывающие наблюдение пар топ- и антитоп-кварков, образующихся в результате сильного взаимодействия. [16] 2 марта 1995 года обе коллаборации совместно сообщили об открытии топ-кварка с массой около175 ГэВ/ c 2 (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 рождение пар топ-кварков, но его гораздо труднее наблюдать, поскольку его труднее отличить от фоновых процессов, которые могут создавать ложные сигналы. Исследования одиночных топ-кварков использовались для измерения времени жизни топ-кварков, составляющего около 5 × 10-25 секунд , измерения последнего неизвестного элемента матрицы CKM межпоколенческого смешивания кварков, а также для поиска новой физики за пределами Стандартной модели. [20]
О прецизионных измерениях свойств топ-кварков, таких как масса, заряд, режимы распада, характеристики образования и поляризация, сообщалось в более чем ста публикациях.
Европейское физическое общество наградило Премией Европейского физического общества по физике высоких энергий и элементарных частиц 2019 года коллаборации DØ и CDF «за открытие топ-кварка и детальное измерение его свойств». [21]
В последующие годы одной из главных физических целей эксперимента DØ стал поиск бозона Хиггса , существование которого предсказывалось Стандартной моделью , но с неизвестной массой. [22] Прежде чем они завершились в 2000 году, эксперименты LEP в CERN исключили существование такого бозона Хиггса с массой меньше114,4 ГэВ/ с 2 . [23] В 2010 году DØ и CDF расширили запретную зону, включив в нее окно вокруг160 ГэВ/ c 2 . [24]
2 июля 2012 г., ожидая объявления ЦЕРН об открытии бозона Хиггса, коллаборации DØ и CDF объявили о своих доказательствах (примерно с тремя стандартными отклонениями) распада бозонов Хиггса в конечные состояния доминирующих b-кварков, что указывало на то, что частица имела массу от 115 до 135 ГэВ/с 2 . [25] 4 июля 2012 года эксперименты CERN ATLAS и CMS объявили об открытии бозона Хиггса с массой 125 ГэВ/с 2 . [26]
Разработанные на Тэватроне методы поиска бозона Хиггса послужили трамплином для последующих анализов на БАК. [27]
Свойства W- и Z-бозонов, передающих слабое ядерное взаимодействие, являются чувствительными индикаторами внутренней непротиворечивости Стандартной модели. В 2012 году DØ измерил массу W-бозона с относительной точностью лучше 0,03%, что исключило многие потенциальные модели новой физики. [28]
Эксперименты DØ и CDF объединились для измерения асимметрии вперед-назад в распадах Z-бозонов (тенденция лептонов положительного распада чаще появляться ближе к направлению входящего протона, чем лептонов отрицательного распада). На основе этих измерений асимметрии угол слабого смешивания, управляющий нарушением электрослабой симметрии на отдельные электромагнитные и слабые силы, был измерен с точностью лучше 0,15%. Этот результат имеет сопоставимую точность с экспериментами на электрон-позитронном коллайдере в CERN и SLAC и помогает разрешить давнее противоречие между этими измерениями. [29]
Хотя эксперименты B-фабрики в KEK , SLAC и IHEP в Пекине и эксперимент LHCb в CERN доминировали во многих аспектах изучения адронов, содержащих b- или c-кварки, DØ внес заметный вклад, используя большие образцы, содержащие все адроны с тяжелым ароматом. это можно увидеть по их распаду на мюоны.
В июле 2006 года коллаборация DØ опубликовала первые доказательства трансформации 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 есть в Стандартной модели, эта скорость была бы изменена. [30]
14 мая 2010 года коллаборация DØ объявила о тенденции b- и анти-b-кварков, образующихся в протон-антипротонных столкновениях, чаще приводить к образованию пары положительно заряженных мюонов, чем отрицательно заряженной пары. [31] Эта тенденция, вместе с измерениями асимметрии одиночных мюонов, могла бы помочь объяснить асимметрию материи-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 в Physical Review Letters статью, в которой объявила об открытии новой частицы под названием Ξ b (произносится как «zigh sub b») с массой5,774 ± 0,019 ГэВ/ с 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, состоящим из кварков всех трех поколений материи. [34]
Первоначальные кварковые гипотезы Мюррея Гелл-Манна и Джорджа Цвейга отмечали, что возможны экзотические мезоны, содержащие два кварка и два антикварка (а не только кварк и антикварк). Примеры были наконец обнаружены 40 лет спустя в случаях, когда экзотический мезон содержал более характерные тяжелые b- и c-кварки. DØ внес новый вклад в понимание этих экзотических состояний с тяжелым вкусом. [35]
Квантовая хромодинамика (КХД) — это теория сильного взаимодействия, в которой кварки и глюоны взаимодействуют посредством квантового свойства, аналогичного электрическому заряду в электромагнетизме, называемого «цвет». КХД делает количественные предсказания образования струй (коллимированных спреев частиц, возникших из рассеянных кварков или глюонов), фотонов и W- или Z-бозонов. D0 опубликовал серию основополагающих статей, в которых исследуется образование струи в зависимости от энергии луча, энергии струи и угла образования струи, что соответствует теоретическим предсказаниям. Примечательным результатом DØ в 2012 году стало измерение струй очень высокой энергии, образующихся под большими углами рассеяния. Это происходит, когда одиночные кварки несут более половины энергии своего родительского протона или антипротона, несмотря на то, что протон и антипротон обычно состоят из десятков кварков и глюонов. Измерения прекрасно согласовались с предсказаниями. В серии публикаций, в которых наблюдались две пары струй или фотонов, возникающих в результате двух независимых рассеяний кварков и глюонов в рамках одной встречи протон-антипротон, характер этих скоростей указывал на то, что пространственная протяженность глюонов внутри протона меньше, чем это для кварков. [36]
Детектор DØ состоял из нескольких «субдетекторов», которые были сгруппированы в три оболочки, окружающие точку столкновения. Самой внутренней оболочкой была Центральная система слежения, состоящая из детекторов слежения, заключенных в сверхпроводящий магнит. Их окружала вторая оболочка, состоящая из калориметров, которые измеряли энергию электронов, фотонов и адронов и идентифицировали «струи» частиц, возникающие из рассеянных кварков и глюонов. Третья оболочка, мюонная система, имела камеры слежения и сцинтилляционные панели до и после намагничивания твердых железных магнитов для идентификации мюонов. Весь детектор был заключен за стеной из бетонных блоков, которая служила защитой от радиации. Детектор имел размеры примерно 10×10×20 м и весил около 5500 тонн. Он хранится в здании сборки DØ Фермилаба как часть публичной исторической выставки. [37]
Центральная система слежения имела два субдетектора для измерения положения треков заряженных частиц и магнитное поле, вызывающее изгиб треков, что позволяло измерять их импульсы.
Кремниевый микрополосковый трекер располагался сразу за лучевыми трубками Тэватрона. Пять стволов, концентрических лучам, и 16 дисков с полосками, перпендикулярными лучам, обеспечивали прецизионное измерение координат заряженных траекторий. Это помогло определить импульсы частиц и отличить те частицы, которые возникли из первичной точки столкновения, от тех, которые прошли конечное расстояние перед распадом, таких как тау-лептоны и адроны, содержащие нижние кварки. Он состоял из около 800 000 кремниевых полосок шириной 50 микрон, способных измерять местоположение дорожек с точностью до 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 работоспособен к апрелю 2002 года. [40] [41]
За пределами кремниевого трекера цилиндрический трекер из сцинтилляционного волокна занимал радиальную область от 20 до 52 см и 2,5 м вдоль линии луча. Частицы прошли через восемь слоев сцинтилляционных волокон диаметром 835 микрон. Эти волокна производили фотоны, когда через них проходила частица. [42] Свет от каждого из более чем 75 000 волокон передавался на твердотельные датчики, которые создавали электронные сигналы, которые оцифровывались и записывались. Пространственная точность волоконного трекера составляла около 100 микрон. [43]
Сверхпроводящий соленоидный магнит был расположен сразу за волоконным трекером и создавал магнитное поле силой 2 Тл в объеме кремния и волоконного трекера. [44]
Калориметрическая система состояла из трех пробоотборных калориметров (цилиндрического центрального калориметра и двух концевых калориметров), межкриостатного детектора и предливневого детектора . [45] Задача калориметров и связанных с ними субдетекторов заключалась в измерении энергий электронов, фотонов, а также заряженных и нейтральных адронов. Это было достигнуто, когда падающие частицы пересекали несколько слоев плотного инертного материала, в котором они взаимодействовали и создавали вторичные частицы. Все такие вторичные частицы называются ливнем. Энергия частицы-прародителя была разделена между многими частицами ливня с гораздо более низкой энергией, которые в конечном итоге остановились, и в этот момент ливень закончился. Между слоями инертного материала располагались детекторы, в которых измерялась ионизация частиц. Суммарный сигнал ионизации по ливню пропорционален энергии частицы-прародителя. [46]
Цилиндрический слой полосок предливня на основе сцинтиллятора был помещен непосредственно снаружи соленоида и считывался с помощью датчиков волоконного трекера. Подобные предливневые детекторы закрывали концы области слежения. Материал соленоида, дополненный свинцовыми листами, заставил первичные электроны и фотоны начать поток вторичных частиц. Таким образом, детектор предливня был первым этапом калориметрии и давал точное местоположение точки падения частицы.
Центральный калориметр снаружи и два торцевых калориметра, закрывающих соленоид, содержали отдельные секции для измерения электромагнитных частиц и адронов. Для пластин инертного поглотителя был выбран уран из-за его очень высокой плотности. Активные промежутки содержали жидкий аргон с сильным электрическим полем, приложенным для сбора ионизации пролетающих частиц на мелкосегментированных плоскостях медных электродов. Эти сигналы были объединены в 50 000 сигналов, которые измеряли энергию частиц, а также поперечную и продольную форму ливня, что помогло определить тип частицы. Каждый калориметр содержал около шестидесяти уран-жидко-аргоновых модулей общим весом от 240 до 300 тонн. Общая толщина калориметра составляла около 175 см, чтобы полностью поглотить ливни наиболее энергичных частиц от столкновения. Сосуды из нержавеющей стали, необходимые для содержания модулей при температуре жидкого аргона (-190 C), были относительно толстыми, поэтому между центральным и концевым калориметрами были вставлены сцинтилляционные детекторы, чтобы компенсировать потери энергии в стенках криостата.
Основной задачей калориметрии является идентификация струй — спреев частиц, образующихся при выходе кварков и глюонов из точки их столкновения. Идентификация струй и измерение их направлений и энергий позволяют анализу воссоздать импульсы основных кварков и глюонов в первичном столкновении. [47]
Внешняя оболочка детектора предназначалась для обнаружения мюонов . Мюоны высоких энергий встречаются довольно редко и поэтому являются явным признаком интересных столкновений. В отличие от большинства частиц, они не поглощались в калориметрах, поэтому наблюдаемые за пределами калориметров треки, скорее всего, были мюонами. Сцинтилляционные самолеты обеспечивали быструю сигнатуру, используемую для обозначения интересных событий. Одна станция следящих камер до и две станции после твердотельных железных магнитов регистрируют треки мюонов. Железо большого центрального магнита было извлечено из циклотрона НАСА, построенного для имитации радиационного повреждения в космосе. [48] [49]
Каждую секунду в детекторе происходит около 10 миллионов протон-антипротонных столкновений . Поскольку это намного превышало вычислительные возможности, только часть этих событий могла храниться на ленте в секунду. Поэтому была внедрена сложная система сбора данных (DAQ), которая определяла, какие события достаточно «интересны», чтобы их можно было записать на ленту, а какие можно выбросить. [50] [51] Триггерная система использовала электронные сигналы для идентификации интересующих событий, например событий, содержащих электроны, мюоны, фотоны, струи высоких энергий или частицы, которые прошли некоторое расстояние перед распадом. Первый уровень запуска 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 запуска уточнял выбор, используя комбинацию оцифрованных сигналов от нескольких субдетекторов для формирования более детального профиля событий, сокращая пул возможных событий до 1000 событий в секунду. На третьем уровне группа компьютеров анализировала цифровую информацию в урезанной версии полного автономного компьютерного кода, получая до 100 событий в секунду, которые можно было постоянно записывать и впоследствии анализировать на крупных автономных компьютерных фермах. Работа триггерной системы представляла собой тонкий баланс между максимизацией количества сохраняемых событий и минимизацией времени простоя, возникающего при их сборе. Он должен был быть надежным и надежным, поскольку миллионы событий, не выбранных триггером, были потеряны навсегда. [52]