Deneme yapın - DØ experiment
Do deneyi (bazen yazılı D0 deney veya DZero deneyi ) üzerine araştırma yapan bilim adamları, dünya çapında bir işbirliği oldu maddenin temel doğası . Do iki ana deneyler (ötekiydi biriydi CDF bulunan denemesi) Tevetron Çarpıştırıcısı de Fermilab'dan içinde Batavia, Illinois . Tevatron, enerjisinin Büyük Hadron Çarpıştırıcısı tarafından aşıldığı 1983'ten 2009'a kadar dünyanın en yüksek enerjili hızlandırıcısıydı . DØ deneyi, Tevatron'un kapandığı 2011'de veri almayı durdurdu, ancak veri analizi hala devam ediyor. DØ dedektörü, halka açık turlar için tarihi bir serginin parçası olarak Fermilab'ın DØ Montaj Binasında korunmaktadır.
DØ araştırması, mevcut en yüksek enerjilerde proton ve antiproton etkileşimlerinin kesin çalışmalarına odaklanmıştır . Bu çarpışmalar ilişkisi uygun bir kütle halinde enerji dönüşümü ile oluşturulan bir çok yeni partikülleri içeren "olaylar" neden E = mc 2 . Araştırma, evrenin yapı taşlarının karakterini ortaya çıkaran atom altı ipuçlarının yoğun bir şekilde aranmasını içeriyor .
genel bakış
1981'de, Fermilab direktörü Leon M. Lederman , Tevatron halkasındaki 'DØ' etkileşim bölgesinde yer alacak ve Fermilab'da planlanan Çarpıştırıcı Dedektörünü tamamlayacak "mütevazı büyüklükte bir grup tarafından inşa edilmiş mütevazı bir dedektör" için ön teklifler istedi . On beşten fazla grup teklif sundu. Bu tekliflerden üçü , 1 Temmuz 1983'te resmen başlayan Paul Grannis önderliğinde tek bir çabada birleştirildi . Grup, Kasım 1984'te bir tasarım raporu hazırladı. Dedektör 1991'de tamamlandı, Şubat'ta Tevatron'a yerleştirildi. 1992 ve ilk çarpışmasını Mayıs 1992'de gözlemledi. 1992'den büyük güncellemeler için kapatıldığı 1996'ya kadar verileri kaydetti. İkinci koşusu 2001 yılında başlamış ve Eylül 2011'e kadar sürmüştür. 2019 yılı itibari ile veri analizleri halen devam etmektedir.
DØ deneyi, zirvesinde 88 üniversiteden yaklaşık 650 fizikçiyi ve 21 ülkeden ulusal laboratuvarları içeren uluslararası bir işbirliğidir . Bu birçok açıdan test etmek için Tevatron dolaşan proton ve antiprotonlar arasındaki çarpışmaları incelenmiştir standart model bir parçacık fiziği .
DØ dedektörü, demet protonları ve antiprotonların çarpıştığı bölgeyi çevreleyen birkaç iç içe alt dedektör grubundan oluşuyordu. Alt dedektörler, çevrimdışı analizler için toplanan, dijitalleştirilen ve günlüğe kaydedilen bir milyondan fazla elektronik kanal sağladı. Proton ve antiproton ışınlarının yaklaşık 10 milyon çarpışması her saniye incelendi ve daha ileri çalışmalar için saniyede 500'e kadar çarpışma kaydedildi.
fizik araştırması
DØ, bilimsel çalışmalarını altı fizik grubu içinde yürütmüştür: Higgs, Top, Electroweak, New Phenomena, QCD ve B Physics. Her birinde önemli ilerlemeler kaydedildi.
üst kuark
DØ deneyinin ilk hedeflerinden biri, parçacık fiziğinin Standart Modeli tarafından tahmin edilen maddenin altı bileşeninin sonuncusu olan üst kuarkı keşfetmekti. DØ ve CDF deneylerinin ikisi de arama için veri topladı, ancak birbirlerinin bulgularının bağımsız olarak doğrulanmasına izin veren farklı gözlem ve analiz teknikleri kullandılar.
24 Şubat 1995'te DØ ve CDF , güçlü etkileşim yoluyla üretilen üst ve antitop kuark çiftlerinin gözlemini açıklayan araştırma makalelerini Fiziksel İnceleme Mektuplarına gönderdi . 2 Mart 1995'te, iki iş birliği ortaklaşa, yaklaşık olarak yaklaşık bir kütlede üst kuarkın keşfini bildirdiler.175 GeV/ c 2 (neredeyse bir altın çekirdeğinki).
4 Mart 2009'da, DØ ve CDF işbirlikleri , zayıf etkileşim yoluyla tek üst kuark üretiminin keşfini duyurdu . Bu süreç, üst kuark çiftlerinin üretiminin yaklaşık yarısı kadar bir oranda gerçekleşir, ancak yanlış sinyaller oluşturabilen arka plan süreçlerinden ayırt edilmesi daha zor olduğu için gözlemlenmesi çok daha zordur. Tek üst kuark çalışmaları, yaklaşık 5 x 10-25 saniyelik üst kuark ömrünü ölçmek, kuark nesiller arası karışımın CKM matrisinin son bilinmeyen öğesini ölçmek ve Standart Modelin ötesinde yeni fizik aramak için kullanıldı.
Kütle, yük, bozunma modları, üretim özellikleri ve polarizasyon gibi üst kuark özelliklerinin kesin ölçümleri yüzün üzerinde yayında rapor edilmiştir.
Avrupa Fizik Derneği yapmak ve CDF işbirlikleri için 2019 Avrupa Fizik Derneği Yüksek Enerji ve Parçacık Fiziği Ödülü "üst kuark ve özellikleri detaylı ölçüm keşfi için."
Higgs bozonu
Daha sonraki yıllarda, DØ deneyinin temel fizik hedeflerinden biri , Standart Model tarafından var olduğu tahmin edilen ancak kütlesi bilinmeyen Higgs bozonunu aramaktı . 2000 yılında sonuçlanmadan önce , CERN'deki LEP deneyleri, kütlesi bundan daha küçük olan böyle bir Higgs bozonunun varlığını ekarte etmişti.114.4 GeV/ c 2 . 2010 yılında DØ ve CDF, yasak bölgeyi bir pencere içerecek şekilde genişletti.160 GeV/ c 2 .
2 Temmuz 2012'de, CERN'den Higgs bozonunun keşfine ilişkin bir duyuruyu bekleyerek, DØ ve CDF işbirlikleri, baskın b kuark son durumlarına bozunan Higgs bozonları için kanıtlarını (yaklaşık üç standart sapmada) açıkladılar. partikül 115 ve 135 GeV / c arasında bir kütleye sahip 2 . 4 Temmuz 2012'de CERN'in ATLAS ve CMS deneyleri, 125 GeV/c 2 kütleli Higgs bozonunu keşfettiklerini duyurdu .
Tevatron'da Higgs bozonu aramaları için geliştirilen teknikler, sonraki LHC analizleri için bir sıçrama tahtası görevi gördü.
W ve Z bozonları
Zayıf nükleer kuvveti ileten W ve Z bozonlarının özellikleri, Standart Modelin iç tutarlılığının hassas göstergeleridir. 2012'de DØ, W bozon kütlesini %0.03'ten daha iyi bir göreli hassasiyetle ölçtü ve birçok potansiyel yeni fizik modelini dışladı.
DØ ve CDF deneyleri, Z bozonlarının bozunmalarındaki ileri-geri asimetriyi ölçmek için birleştirildi (pozitif bozunma leptonlarının, negatif bozunma leptonlarından daha sık gelen proton yönüne daha yakın ortaya çıkma eğilimi). Bu asimetri ölçümlerinden, elektrozayıf simetrinin farklı elektromanyetik ve zayıf kuvvetlere kırılmasını yöneten zayıf karıştırma açısı, %0.15'ten daha iyi bir hassasiyetle ölçülmüştür. Bu sonuç, CERN ve SLAC'daki elektron pozitron çarpıştırıcı deneyleriyle karşılaştırılabilir bir kesinliğe sahiptir ve bu ölçümler arasında uzun süredir devam eden bir gerilimi çözmeye yardımcı olur.
Alt ve çekicilik kuarkları
Pekin'deki KEK , SLAC ve IHEP'deki B-fabrika deneyleri ve CERN'deki LHCb deneyi , b- veya c-kuarkları içeren hadronların çalışmasının birçok yönüne hakim olmasına rağmen , DØ, tüm ağır lezzet hadronlarını içeren büyük numuneleri kullanarak kayda değer katkılarda bulunmuştur. bu onların müonlara bozunmasıyla görülebilir.
Temmuz 2006'da, DØ işbirliği, B s mezonunun (bir anti-b kuark ve bir garip kuark içeren) karşıparçacığına dönüşümüne ilişkin ilk kanıtı yayınladı . Geçiş, saniyede yaklaşık 20 trilyon kez gerçekleşir. Standart Model'dekilerin ötesinde yeni parçacıklar olsaydı, bu oran değiştirilmiş olurdu.
14 Mayıs 2010'da, DØ işbirliği, proton-antiproton çarpışmalarında üretilen b ve anti-b kuarklarının, negatif yüklü bir çiftten daha sık bir pozitif yüklü müon çiftine yol açma eğilimini duyurdu. Bu eğilim, tekli müon asimetrilerinin ölçümleriyle birlikte, maddenin evrendeki egemenliğinden sorumlu olan madde-antimadde asimetrisini açıklamaya yardımcı olabilir . Bununla birlikte, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'ndaki fizikçilerden elde edilen deneysel sonuçlar, " Standart Modelden farkın önemsiz olduğunu" öne sürdü .
Haziran 12, 2007 tarihinde, DO işbirliği için bir kağıt gönderilmektedir Physical Review Letters adlı yeni parçacığın keşfi duyuran Ξ b bir kütleye sahip ( "zigh alt b" telaffuz edilir)5,774 ± 0,019 GeV / c 2 , bir protonun yaklaşık altı kez kütlesi. Ξ b baryon bir yapılır aşağı , bir garip ve bir alt o maddenin her üç nesillerden kuark oluşan ilk gözlenen baryon yapım kuark.
Murray Gell-Mann ve George Zweig'in orijinal kuark hipotezleri, iki kuark ve iki antikuark (sadece bir kuark ve antikuark yerine) içeren egzotik mezonların mümkün olduğunu kaydetti. Örnekler, 40 yıl sonra, egzotik mezonun daha belirgin ağır b- ve c-kuarklarını içerdiği durumlarda nihayet gözlemlendi. DØ, bu ağır aromalı egzotik durumların yeni bir şekilde anlaşılmasına katkıda bulunmuştur.
Güçlü kuvvet
Kuantum kromodinamiği (QCD), kuarkların ve gluonların, elektromanyetizma için "renk" olarak adlandırılan elektrik yüküne benzer bir kuantum özelliği aracılığıyla etkileşime girdiği güçlü etkileşim teorisidir. QCD, jetlerin (dağılmış kuarklardan veya gluonlardan evrimleşmiş parçacıkların paralelleştirilmiş spreyleri), fotonların ve W veya Z bozonlarının üretimi için nicel tahminlerde bulunur. 2012 yılında DØ'den elde edilen kayda değer bir sonuç, büyük saçılma açılarında üretilen çok yüksek enerjili jetlerin ölçümüydü. Bu, tek kuarklar, proton ve antiprotonun tipik olarak düzinelerce kuark ve gluondan oluşmasına rağmen, ana proton veya antiprotonun enerjisinin yarısından fazlasını taşıdığında meydana gelir. Ölçüm, tahminle mükemmel bir uyum içindeydi. Tek bir proton-antiproton karşılaşması içinde kuarkların ve gluonların iki bağımsız saçılımından kaynaklanan iki jet veya foton çiftinin gözlemlendiği bir dizi yayında, bu oranların modeli, proton içindeki gluonların uzaysal kapsamının daha küçük olduğunu gösterdi. bu kuarklar için.
dedektör
DØ dedektörü, çarpışma noktasını çevreleyen üç kabuk halinde gruplandırılmış birkaç "alt dedektörden" oluşuyordu. En içteki kabuk, süper iletken bir mıknatıs içine yerleştirilmiş izleme dedektörlerinden oluşan Merkezi İzleme Sistemi idi. Bunlar, elektronların, fotonların ve hadronların enerjisini ölçen ve saçılmış kuarklardan ve gluonlardan kaynaklanan parçacıkların "jetlerini" tanımlayan kalorimetrelerden oluşan ikinci bir kabukla çevriliydi. Üçüncü kabuk olan müon sistemi, müonları tanımlamak için manyetize edilmiş katı demir mıknatıslardan önce ve sonra izleme odalarına ve sintilatör panellerine sahipti. Tüm dedektör, radyasyon kalkanı görevi gören beton bir blok duvarın arkasına kapatılmıştı. Dedektör yaklaşık 10m × 10m × 20m ölçülerindeydi ve yaklaşık 5.500 ton ağırlığındaydı. Halka açık bir tarihi serginin parçası olarak Fermilab'ın DØ Montaj Binasında korunmaktadır.
Merkezi Takip Sistemi
Merkezi izleme sistemi, yüklü parçacık iz konumlarını ölçmek için iki alt detektöre ve izlerin bükülmesine neden olmak için bir manyetik alana sahipti ve böylece onların momentumlarının ölçülmesine izin veriyordu.
Silikon mikro şerit izleyici, Tevatron ışın borularının hemen dışına yerleştirildi. Kirişlerle eş merkezli beş varil ve kirişlere dik şeritlere sahip 16 disk, yüklü ray koordinatlarının hassas ölçümlerini sağladı. Bunlar, parçacık momentumunu belirlemeye ve birincil çarpışma noktasından ortaya çıkan parçacıkları, bozunmadan önce sonlu bir mesafe kat eden tau leptonları ve alt kuarkları içeren hadronlar gibi parçacıklardan ayırt etmeye yardımcı oldu. Yaklaşık 10 mikrona kadar iz konumunu ölçebilen, 50 mikron genişliğinde yaklaşık 800.000 silikon şeritten oluşuyordu. Silikon dedektörlerin dış yarıçapları, yüksek maliyetleri nedeniyle 10 cm ile sınırlandırılmıştır. Silikon mikro şerit izleyici, 2001'de başlayan Tevatron Run II çarpıştırıcı programı için dedektöre kuruldu. Nisan 2002'ye kadar tamamen işlevseldi.
Silikon izleyicinin dışında, silindirik parıldayan fiber izleyici, ışın hattı boyunca 20 ila 52 cm ve 2.5 m arasındaki radyal bölgeyi işgal etti. Parçacıklar, 835 mikron çapında parıldayan liflerden oluşan sekiz katmandan geçti. Bu lifler, içinden bir parçacık geçtiğinde fotonlar üretti. 75.000'den fazla fiberin her birinden gelen ışık, sayısallaştırılan ve kaydedilen elektronik sinyaller oluşturan katı hal sensörlerine iletildi. Fiber izleyicinin uzamsal hassasiyeti yaklaşık 100 mikrondu.
Fiber izleyicinin hemen dışına yerleştirilmiş bir süper iletken solenoid mıknatıs, silikon ve fiber izleyici hacminde 2 T'lik bir manyetik alan yarattı.
Kalorimetre
Kalorimetre sistemi, üç numune kalorimetre (silindirik merkezi Kalorimetre ve iki son Kalorimetre), bir intercryostat detektörü ve bir sağanağı öncesi detektörü oluşuyordu. Kalorimetrelerin ve ilgili alt dedektörlerin görevi elektronların, fotonların ve yüklü ve nötr hadronların enerjilerinin ölçülmesiydi. Bu, gelen parçacıkların, etkileşime girdikleri ve ikincil parçacıklar oluşturdukları çok sayıda yoğun atıl malzeme katmanını geçmesine izin vererek başarıldı. Tüm bu ikincil parçacıkların toplanmasına duş denir. Progenitör parçacığın enerjisi, duşun sona erdiği noktada durmuş olan çok daha düşük enerjili birçok duş parçacığı arasında paylaşıldı. Eylemsiz malzemenin katmanları arasında parçacıkların iyonlaşmasının ölçüldüğü dedektörler vardı. Duşta toplanan toplam iyonizasyon sinyali, progenitör parçacığın enerjisiyle orantılıdır.
Silindirik bir sintilatör bazlı ön duş şeritleri tabakası solenoidin hemen dışına yerleştirildi ve fiber izleyici sensörleri ile okundu. Benzer duş öncesi dedektörler, izleme bölgesinin uçlarını kapattı. Kurşun levhalarla güçlendirilmiş solenoiddeki malzeme, birincil elektronların ve fotonların ikincil parçacıklar yağmuruna başlamasına neden oldu. Ön duş dedektörü bu nedenle kalorimetrinin ilk aşamasıydı ve partikül çarpma noktasının kesin konumunu verdi.
Dışarıda bir merkezi kalorimetre ve solenoidi kapatan iki uç kalorimetre, elektromanyetik parçacıkları ve hadronları ölçmek için ayrı bölümler içeriyordu. Uranyum, çok yüksek yoğunluğu nedeniyle inert emici plakalar için seçilmiştir. Aktif boşluklar, ince segmentli bakır elektrot düzlemleri üzerinde çapraz parçacıkların iyonizasyonunu toplamak için uygulanan güçlü bir elektrik alanına sahip sıvı argon içeriyordu. Bu sinyaller, parçacık enerjilerini ve parçacık tipini belirlemeye yardımcı olan enine ve boyuna duş şekillerini ölçen 50.000 sinyale birleştirildi. Her kalorimetre, toplam ağırlığı 240 ila 300 metrik ton olan yaklaşık altmış uranyum-sıvı argon modülü içeriyordu. Bir kalorimetrenin toplam kalınlığı, bir çarpışmadan en enerjik parçacıkların yağmurlarını tamamen emmek için yaklaşık 175 cm idi. Modülleri sıvı argon sıcaklığında (-190 C) içermesi gereken paslanmaz çelik kaplar nispeten kalındı, bu nedenle kriyostat duvarlarında kaybedilen enerjiyi düzeltmek için merkezi ve uç kalorimetreler arasına sintilasyon dedektörleri yerleştirildi.
Kalorimetri için birincil görev, jetlerin tanımlanmasıdır, kuarklar ve gluonlar olarak oluşturulan parçacıkların spreyleri çarpışma noktalarından kaçar. Jet tanımlaması ve yönleri ile enerjilerinin ölçülmesi, analizlerin birincil çarpışmada altta yatan kuarkların ve gluonların momentumlarını yeniden yaratmasına olanak tanır.
Müon Dedektörü
Dedektörün en dış kabuğu müon tespiti içindi . Yüksek enerjili müonlar oldukça nadirdir ve bu nedenle ilginç çarpışmaların açık bir işaretidir. Çoğu parçacığın aksine, kalorimetreler tarafından emilmediler, bu nedenle kalorimetrelerin ötesinde gözlenen izler büyük olasılıkla müonlardı. Sintilatör uçakları, ilginç olayları işaretlemek için kullanılan hızlı bir imza sağladı. Katı demir mıknatıslardan önceki bir istasyon ve sonraki iki istasyon, müon izlerini kaydeder. Büyük merkezi mıknatısın demiri, uzayda radyasyon hasarını simüle etmek için inşa edilmiş bir NASA siklotronundan geri alındı.
Tetik ve DAQ
Dedektörde her saniye yaklaşık 10 milyon proton-antiproton çarpışması meydana geldi. Bu, bilgi işlem yeteneklerini çok aştığı için, bu olayların yalnızca bir kısmı saniyede bir teypte depolanabiliyordu. Bu nedenle, hangi olayların kasete yazılacak kadar "ilginç" olduğunu ve hangilerinin atılabileceğini belirleyen karmaşık bir Veri Toplama (DAQ) sistemi uygulandı. Tetikleyici sistem, elektronlar, müonlar, fotonlar, yüksek enerjili jetler veya bozunmadan önce belirli bir mesafe kat eden parçacıklar içeren olaylar gibi ilgili olayları tanımlamak için elektronik sinyalleri kullandı. İlk tetikleme seviyesi, her bir alt dedektörden gelen hızlı elektronik sinyalleri kullanarak, birkaç mikrosaniye içinde veri alımını duraklatmaya ve sinyalleri sayısallaştırmaya karar verir. Bu tür yaklaşık 10.000 Seviye 1 tetikleyici kabul edildi. İkinci bir tetikleme seviyesi, daha nüanslı bir olay profili oluşturmak için birkaç alt algılayıcıdan gelen sayısallaştırılmış sinyalleri bir arada kullanarak seçimi iyileştirdi ve aday olay havuzunu saniyede 1000 olaya indirdi. Üçüncü seviyede, bir bilgisayar çiftliği, dijital bilgileri, tam çevrimdışı bilgisayar kodunun soyulmuş bir versiyonunda analiz ederek, saniyede 100'e kadar olayın kalıcı olarak kaydedilmesini ve ardından büyük çevrimdışı bilgisayar çiftliklerinde analiz edilmesini sağladı. Tetikleme sisteminin çalışması, kaydedilen olay sayısını en üst düzeye çıkarmak ve bunları toplarken oluşan ölü zamanı en aza indirmek arasında hassas bir dengeydi. Tetikleyici tarafından seçilmeyen milyonlarca olay sonsuza kadar kaybolduğundan, sağlam ve güvenilir olması gerekiyordu.