Кіріспе

CERN-дегі бөлшектер физикасы эксперименті. Жер астындағы 2 (UA2) эксперименті – Протон-Антипротон коллайдерінде (SpS) – Супер Протон синхротронының (SPS) модификациясында – жоғары энергиялы физика эксперименті болды. Эксперимент 1981 жылдан 1990 жылға дейін жүргізілді, оның басты мақсаты W және Z бозондарын ашу еді. UA2, UA1 экспериментімен бірге, 1983 жылы осы бөлшектерді ашуға қол жеткізді, нәтижесінде 1984 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығы Карло Руббиа мен Саймон ван дер Мирге берілді. UA2 эксперименті 1981 жылы адрондық соқтығыстардағы джеттердің пайда болуына алғашқы дәлелдерді байқады және топ кваркын және суперсимметриялық бөлшектерді іздеуге қатысты. Пьер Дарриулат 1981 жылдан 1986 жылға дейін UA2 өкілі болды, ал одан кейін Луиджи Ди Лелла 1986 жылдан 1990 жылға дейін өкілдік етті.

Өмірбаян

1968 жылы Шелдон Глашшоу, Стивен Вайнберг және Абдус Салам электромагниттік күш пен әлсіз өзара әрекеттесуді біріктіретін электроәлсіз теорияны жасады, және осы үшін олар 1979 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығын бөлісті. Теория W және Z бозондарының бар екенін болжады, ал ғылыми қауымдастыққа осы бөлшектердің экспериментальды түрде бар екенін дәлелдеу үшін үлкен қысым көрсетілді. 1970-ші жылдары W және Z бозондарының массалары 60-80 ГэВ (W бозоны) және 75-92 ГэВ (Z бозоны) аралығында екені анықталды – бұл сол кездегі ең қуатты үдеткіштерге қол жетімді емес энергия деңгейі еді. 1976 жылы Карло Руббия, Питер МакИнтайр және Дэвид Клайн протондық үдеткішті өзгертуді ұсынды – сол кезде Фермилабта протондық үдеткіш жұмыс істеп тұрды, ал ЦЕРН-де (SPS) тағы біреуі салынып жатқан болатын – оны протон-антипротон коллайдеріне айналдыруға, W және Z бозондарын өндіруге жеткілікті энергияға жетуге болатын жағдайға келтіруге. Ұсыныс 1978 жылы ЦЕРН-де қабылданды, ал Суперпротондық синхротроны (SPS) кейде протон-антипротон коллайдері (SpS) ретінде жұмыс істеу үшін қайта жабдықталды.

Тарих

1978 жылдың 29 маусымында UA1 эксперименті мақұлданды. Сол жылы UA1-ге ұқсас мақсаттағы екінші детектор үшін екі ұсыныс енгізілді. 1978 жылдың 14 желтоқсанында Пьер Дарриулат, Луиджи Ди Лелла және олардың серіктестерінің ұсынысы мақұлданды. UA1 сияқты, UA2 да коллайдердің сәуле түтігінің айналасына арнайы орнатылған, жылдам болатын детектор болды. Ол W және Z бөлшектерінің іздерін табу үшін протон-антипротон соқтығысуларын зерттеді. Шамамен он жылдық жұмыстан кейін, UA2 эксперименттік бағдарламасы 1990 жылдың соңында аяқталды.

Құралымдар мен жұмыс

UA1 және UA2 эксперименттері протон-антипротон соқтығысу операциясы кезінде деректерді тіркеді және SPS тұрақты нысаналы операцияға қайта оралуы үшін деректерді жинау кезеңдерінен кейін артқа жылды. UA2 SpS сәулелік түтігінен алынғанда ауа жастықтарында жылжытылды. Энергия өлшемдері калориметрлерде жүргізілді. UA1-ден айырмашылығы, UA2-де мюон детекторлары болған жоқ. Калориметрде әрқайсысы 4 тонна салмақты 24 тілім болды. Бұл тілімдер соқтығысу нүктесінің айналасында апельсин бөліктері сияқты орналастырылған. Соқтығысудан ұшырылған бөлшектер ауыр материал қабаттарында екіншілік бөлшектердің душтарын тудырды. Бұл душтар пластикалық сцинтилляторлардың қабаттарынан өтіп, фотокөбейтілгіштермен оқылған жарық шығарды. Жарықтың мөлшері бастапқы бөлшектің энергиясына пропорционалды. Орталық калориметрдің нақты калибрленуі W және Z массаларын шамамен 1% дәлдікпен өлшеуге мүмкіндік берді.

Детекторды жаңарту

1985-1987 жылдардағы детекторды жаңарту екі мақсатқа бағытталды: толық калориметрлік жабу және төмен көлденең импульста электронды жақсырақ анықтау. Бірінші мақсатқа сәуле бағытына қатысты 6°–40° аймақтарын қамтитын жаңа калориметрлермен соңғы қаптамаларды алмастыру арқылы қол жеткізілді, бұл детекторды герметикалық түрде жапты. Соңғы қаптама калориметрлері электромагниттік бөлігі үшін қорғасын/сцинтиллятордан, ал адрондық бөлігі үшін темір/сцинтиллятордан жасалған. Детектор цилиндр пішіндес, сәулелік түтікке жақын орналасқан. Детектор 1 см-ден аспайтын бос кеңістікке сыюы керек болды. Сондықтан детектордың компоненттерін кішірейту қажеттігі туды. Бұл екі жаңа технологияның көмегімен іске асырылды: кремний сенсоры және арнайы интегралдық схема (ASIC). Қолданыстағы электроника тым көлемді болғандықтан, жаңа ASIC әзірлеу қажет болды. Бұл коллайдерлік экспериментке бейімделген алғашқы кремний трекері және қазіргі кремний детекторларына дейінгі технология болды. Хадрондық ағындарды бақылау кванттық хромодинамика теориясының күшті партондық өзара әрекеттесудің негізгі ерекшеліктерін сипаттауға қабілетті екенін растады. Келесі қадам Z-бозонын табу болды. Дегенмен, теория бойынша Z-бозоны W-бозонынан он есе сирек кездесетін. Сондықтан эксперименттер W-бозонының бар екенін көрсеткен 1982 жылғы жүрісте жиналған деректерден бірнеше есе көп дерек жинау қажет болды. Жақсартылған техникалар мен әдістердің арқасында люминесценция айтарлықтай артты. Бұл күш-жігер сәтті аяқталып, 1983 жылдың 1 маусымында ЦЕРН-де Z-бозонының ашылғаны туралы ресми хабарланды.

Жоғарғы кваркты іздеу

Жаңартылған детектормен жұмыс істеу кезінде UA2 ынтымақтастығы АҚШ-тағы Фермилаб эксперименттерімен топ кваркын іздеуде бәсекелестікке түсті. Физиктер оның бар екенін 1977 жылдан бері күткен, осы уақытта оның жұптасқан бөлшегі – түп кварк – ашылған болатын. Топ кваркын ашуға дайын екендігі сезілді. 1987-1990 жылдар аралығында UA2 2065 ыдырау және 251 Z ыдырауды электрондық жұптарға жинады, олардың нәтижесінде W және Z бозондарының массаларының қатынасын 0,5% дәлдікпен өлшеуге мүмкіндік болды.