Кіріспе

Америкалық эксперименталды физикалық құрылғы (1985–2011)

Фермилабтағы (CDF) коллайдер детекторының эксперименталды ынтымақтастығы әлемдегі бұрынғы ең жоғары энергиялы бөлшектер үдеткіші Теватроннан алынған жоғары энергиялы бөлшектердің соқтығысуын зерттейді. Мақсаты – ғаламды құрайтын бөлшектердің табиғатын және қасиеттерін анықтау, сондай-ақ олардың арасындағы күштер мен өзара әрекеттестіктерді түсіну. CDF – халықаралық ынтымақтастық, шаңырағында шамамен 600 физик (шамамен 30 американдық университеті мен ұлттық зертханасынан, сондай-ақ Италия, Жапония, Ұлыбритания, Канада, Германия, Испания, Ресей, Финляндия, Франция, Тайвань, Корея және Швейцария университеттері мен ұлттық зертханаларынан келген шамамен 30 топтан тұрады). CDF детекторының салмағы шамамен 5000 тоннаға жетеді және барлық үш өлшемде шамамен 12 метрді құрайды. Эксперименттің мақсаты – миллиардтаған бөлшектердің соқтығысуынан болатын ерекше оқиғаларды өлшеу, атап айтқанда:
Бөлшектер физикасының стандартты моделінен тыс құбылыстардың болуын іздеу;
Жоғарғы және төменгі кварктар, W және Z бозондары сияқты ауыр бөлшектердің пайда болуын және ыдырауын өлшеу және зерттеу;
Жоғары энергиялы бөлшектер мен фотондардың ағындарын өлшеу және зерттеу;
Дифракция сияқты басқа құбылыстарды зерттеу. CDF аппараты электрон, фотондар және жеңіл адрондардың траекториясын және энергиясын тіркеді. Нейтринолар аппаратта тіркелмегендіктен, энергияның жоғалуы байқалды. CDF-қа ұқсас DØ деп аталатын тағы бір эксперимент бар, оның детекторы Теватрон сақинасының басқа нүктесінде орналасқан.

Тарих

Фермилабтағы Теватронда екі бөлшектік детектор орналасқан: CDF және DØ. CDF, DØ-ден бұрын Теватрондағы алғашқы детектор ретінде пайда болды. CDF-нің тарихы 1976 жылға дейін жетеді, осы жылы Фермилаб Джим Крониннің басшылығымен соқтығысатын сәулелер бөлімін құрды. Бұл бөлім соқтығысатын бөлшектер сәулелерін өндіретін үдеткіштің және осы соқтығысуларды талдайтын детектордың дамуына бағытталды. 1977 жылдың соңында зертхана бұл бөлімді таратып, Алвин Толлеструптың басшылығымен Соқтығысуларды анықтау құрылғысы бөлімін құрды. 1980 жылы Рой Швиттерс CDF-тің және Жапониядағы KEK-тің ортақ жетекшісі болды, сондай-ақ Италиядағы Фраскати ұлттық зертханасы ынтымақтастыққа қосылды. 1981 жылдың жазында CDF үшін концептуалды жобалау есебі аяқталды, ал 1982 жылдың 1 шілдесінде соқтығысу залының құрылысы басталды. Зертхана 1985 жылдың 11 қазанында CDF детекторын пайдалануға берді, ал CDF 1985 жылдың 13 қазанында Теватронның алғашқы протон-антипротон соқтығысуларын байқады. Жылдар бойы CDF-ке екі маңызды жаңарту жасалды. Бірінші жаңарту 1989 жылы, екіншісі 2001 жылы басталды. Әр жаңарту "кезең" деп есептелді. 0-шы кезең жаңартуларға дейінгі кезең (1988–1989), 1-ші кезең бірінші жаңартудан кейін, ал 2-ші кезең екінші жаңартудан кейін болды. I-ші кезеңге жасалған жаңартуларға кремнийлік түбір детекторы (адрондық коллайдер экспериментінде орнатылған алғашқы детектор), орталық мюондық жүйені жақсарту, түбірді қадағалау жүйесін қосу, орталық прерадиаторлық камераларды қосу және оқу электроникасы мен компьютерлік жүйелерді жақсарту кірді. II-ші кезең орталық қадағалау жүйесін, душтан бұрынғы детекторларды жаңартуды және мюондық жабындыны кеңейтуді қамтыды. CDF 2011 жылы Теватрон тоқтатылғанға дейін деректерді жинады, бірақ CDF ғалымдары эксперименттен алынған деректерді талдауды жалғастыруда.

Жоғарғы кваркты табу

CDF-тің ең танымал жаңалықтарының бірі – 1995 жылдың ақпан айында топ кварктың байқалуы. Жоғарғы кварктың бар екендігі 1977 жылы Фермилабта Upsilon-ды байқағаннан кейін болжамдалды, ол төменгі кварк пен анти-төменгі кварктан тұратыны анықталды. Стандартты модель – бөлшектер мен олардың өзара әрекеттесуін сипаттайтын ең қабылданған теория – кварктердің үш буыны бар екенін болжады. Бірінші буын кварктары – жоғары және төмен кварктар, екінші буын кварктары – таңғажайып және шарма кварктары, ал үшінші буын – жоғары және төмен кварктар. Төменгі кварктың табылуы физиктердің жоғарғы кварк бар деген сенімін арттырды. Жоғарғы кварк салыстырмалы түрде жоғары массасы болғандықтан, байқалған соңғы кварк болды. Басқа кварктардың массасы 0,005 ГэВ (жоғары кварк) пен 4,7 ГэВ (төменгі кварк) аралығында болса, жоғарғы кварктің массасы 175 ГэВ-қа тең. Фермилабтың Теватроны ғана топ-антитоп жұптарын жасауға және анықтауға қабілетті болды. Жоғарғы кварқтың үлкен массасы оның шамамен 10−25 секунд ішінде ыдырауына себеп болды, бұл оны байқауды өте қиын етті. Стандартты модель жоғарғы кварктың төменгі кварк пен W бозонына лептоникалық түрде ыдырауын болжады. Бұл W бозоны кейін лептон мен нейтриноға ыдырайды (t→Wb→ѵlb). Сондықтан CDF топ оқиғаларын қайта құруға тырысты, әсіресе төменгі кварктар, W бозондары және нейтринолардың белгілерін іздеді. Соңында 1995 жылдың ақпан айында CDF-де топ кваркты "ашқанымызды" айтуға жеткілікті дәлелдер болды. 24 ақпанда CDF және DØ эксперименттері бір уақытта Physical Review Letters журналына топ кварктың байқалуын сипаттаған мақалаларын жіберді. Екі ынтымақтастық 2 наурызда Фермилабтағы семинарда жаңалықты жариялады, ал мақалалар 3 сәуірде жарияланды. 2019 жылы Еуропалық физикалық қоғам CDF және DØ ынтымақтастықтарына "топ кварктың ашылуы және оның қасиеттерінің егжей-тегжейлі өлшенуі үшін" 2019 жылғы Еуропалық физикалық қоғамның жоғары энергиялық және бөлшектер физикасы сыйлығын табыс етті.

Басқа да жаңалықтар мен маңызды оқиғалар

2006 жылғы 25 қыркүйекте CDF коллаборациясы B субмезонының материя мен антиматерия арасында секундына 3 триллион рет жылдамдықпен осцилляция жасайтынын анықтағанын хабарлады. Бұл құбылыс B–Bбар осцилляциясы деп аталады. 2007 жылғы 8 қаңтарда CDF коллаборациясы W бозонының массасын бір тәжірибе арқылы әлемдегі ең дәл өлшегенін жариялады. Бұл сол кездегі ашылмаған Хиггс бозонының мүмкін болатын массасына жаңа шектеулер қойды. 2022 жылғы 7 сәуірде CDF коллаборациясы Science журналында жарияланған мақаласында W бозонының массасын ең дәл өлшегенін және оның нақты массасы Стандартты модельдің болжамынан және бұрын өлшенген массалардан айтарлықтай жоғары екенін анықтағанын мәлімдеді. 2023 жылы Үлкен адрондық коллайдердегі ATLAS эксперименті W бозонының массасын 80,360 ± 16 МэВ-қа дейін жақсартты, бұл Стандартты модельдің болжамдарымен сәйкес келді. CDF ғалымдары басқа да бірнеше бөлшектерді де ашты, соның ішінде B субк мезонын (1998 жылғы 5 наурызда хабарланды); сигма субб бариондарын, екі жоғарғы кварктан және бір төменгі кварктан, сондай-ақ екі төменгі кварктан және бір төменгі кварктан тұратын бариондарды (2006 жылғы 23 қазанда хабарланды); каскад b бариондарын, төменгі кварктан, бір ерекше кварктан және бір төменгі кварктан тұратын (DØ экспериментімен бірлесіп ашылған және 2007 жылғы 15 маусымда жарияланған); және омега субб бариондарын, екі ерекше кварктан және бір төменгі кварктан тұратын (2009 жылғы маусымда хабарланды).

1-қабат: сәулелі құбыр

Болат құбыр – CDF-нің ең ішкі қабаты. Осы құбырдың ішінде протон мен антипротон шамамен 0,99996c жылдамдықпен бір-біріне қарсы соқтығысады. Әрбір протон жарық жылдамдығына өте жақын, өте жоғары энергиямен қозғалады. Соқтығысу кезінде энергияның көп бөлігі массаға айналады. Бұл протон мен антипротонның бір-бірін жоюына және 175 ГеВ массасы бар топ-кварктар сияқты, бастапқы протоннан әлдеқайда ауыр бөлшектердің пайда болуына мүмкіндік береді.

2-қабат: кремний детекторы

Кремний детекторы сәуле құбырының айналасында орналасқан. Бұл детектор зарядталған бөлшектердің детектор арқылы өту жолын қадағалау үшін қолданылады. Кремний детекторы сәуле осінен r = 1,5 см радиустан басталып, сәуле осінен r = 28 см радиусқа дейін созылады. Силиконның бірінші қабаты, 00 қабаты деп аталады, ол тіпті өте жоғары сәулелену кезінде де сигналды фоннан бөлуге арналған бір жақты детектор. Қалған қабаттар екі жақты және радиацияға төзімді, яғни қабаттар радиоактивті зақымданудан қорғалған. Кремний иондану арқылы детектордан өтетін зарядталған бөлшектердің жолын қадағалайды. Кремнийдің жоғары тығыздығы және кремнийдің төмен иондану энергиясы иондану сигналдарының жылдам таралуын қамтамасыз етеді. Бөлшек кремний арқылы өтетін кезде оның орны 3 өлшемде тіркеледі. Кремний детекторының траекториялық дәлдігі 10 мкм, ал соқтығысу параметрінің дәлдігі 30 мкм құрайды. Физиктер иондардың осы іздерін қарап, бөлшектің қандай жолмен өткенін анықтай алады. Кремний детекторы магнит өрісінде орналасқандықтан, кремний арқылы өтетін жолдың қисықтығы физиктерге бөлшектің импульсін есептеуге мүмкіндік береді. Қисықтық жоғары болса, импульс төмен, және керісінше.

3-қабат: орталық сыртқы бақылау құрылғысы (COT)

Кремний детекторынан тыс, орталық сыртқы трекер кремний детекторы сияқты жұмыс істейді, себебі ол да зарядталған бөлшектердің жолдарын қадағалау үшін қолданылады және магнит өрісінің ішінде орналасқан. Дегенмен, КОТ кремнийден жасалмаған. Кремний өте қымбат, сондықтан оны үлкен көлемде сатып алу тиімсіз. КОТ – аргон газымен және қабаттарға орналастырылған он мыңдаған алтын сымдармен толтырылған газ камерасы. КОТ-та сымдардың екі түрі қолданылады: сезімтал сымдар және өріс сымдары. Сезімтал сымдар жұқарақ болып келеді және аргон газы иондалып, электрондар бөлінген кезде оларды тартады. Өріс сымдары сезімтал сымдардан қалың және электрондардың бөлінуінен пайда болған оң иондарды тартады. 96 қабат сым бар, әр сым бір-бірінен шамамен 3,86 мм қашықтықта орналасқан. Кремний детекторындағыдай, зарядталған бөлшек камерадан өткенде газды иондайды. Бұл сигнал жақын жердегі сымға беріледі, содан кейін компьютерлерге оқу үшін жіберіледі. КОТ-тың ұзындығы шамамен 3,1 метр және ол r = 40 см-ден r = 137 см-ге дейін созылады. КОТ кремний детекторына қарағанда дәл болмаса да, оның орналасуын анықтау қабілеті 140 мкм, ал импульс анықтау қабілеті 0,0015 (GeV/c)−1 құрайды.

4-қабат: соленоидты магнит

Соленоидты магнит КОТ-ты және кремний детекторларын қоршап тұрады. Соленоидтың мақсаты – сәулеге параллель магнит өрісін жасау арқылы КОТ және кремний детекторларындағы зарядталған бөлшектердің траекториясын иіп бұру. Соленоидтың радиусы r = 1,5 м және ұзындығы 4,8 м. Магнит өрісіндегі бөлшектердің траекториясының қисықтығы физиктерге әр бөлшектің импульсын есептеуге мүмкіндік береді. Қисықтық қаншалықты жоғары болса, импульс соншалықты төмен, ал керісінше. Бөлшектердің энергиясы өте жоғары болғандықтан, олардың жолын бұру үшін өте күшті магнит қажет. Соленоид – сұйық гелиймен салқындатылатын суперөткізгіш магнит. Гелий магниттің температурасын 4,7 К-қа немесе -268,45 °C-қа дейін төмендетеді, бұл кедергіні дерлік нөлге дейін азайтады, соның нәтижесінде магнит минималды жылумен және өте жоғары тиімділікпен жоғары токтарды өткізе алады және қуатты магнит өрісін жасайды.

5 және 6-қабаттар: электромагниттік және адрондық калориметрлер

Калориметрлер бөлшектердің жалпы энергиясын полистирол сцинтилляторлары арқылы бөлшектердің энергиясын көзге көрінетін жарыққа айналдыра отырып анықтайды. CDF екі типтегі калориметрлерді қолданады: электромагниттік калориметрлер және адрондық калориметрлер. Электромагниттік калориметр жеңіл бөлшектердің энергиясын, ал адрондық калориметр адрондардың энергиясын өлшейді. Орталық электромагниттік калориметрде қорғасын және сцинтиллятордың кезектесетін қабаттары қолданылады. Қорғасынның әрбір қабаты шамамен енді. Қорғасын бөлшектерді калориметрден өтетін кезде тоқтату үшін, ал сцинтиллятор бөлшектердің энергиясын анықтау үшін пайдаланылады. Хадрондық калориметрдің жұмыс принципі осыған ұқсас, бірақ адрондық калориметрде қорғасынның орнына болат қолданылады. Әр калориметр электромагниттік және адрондық калориметрлерден тұратын сектор құрайды. Бұл секторлардың ұзындығы шамамен 2 метр және олар соленоидтің айналасына орналасқан.

7-қабат: мюон детекторлары

Детектордың соңғы "қабаты" мюон детекторларынан тұрады. Мюондар – ауыр бөлшектердің ыдырауы кезінде пайда болатын зарядталған бөлшектер. Бұл жоғары энергиялы бөлшектер өте сирек әрекеттесетін болғандықтан, мюон детекторлары үлкен болат қабырғалардың артында, сәуле түтігінен ең алыс қабатқа орналастырылған. Болаттың қызметі – тек өте жоғары энергиялы бөлшектердің, мысалы нейтринолар мен мюондардың ғана мюон камераларына өтуін қамтамасыз ету. Мюон детекторлары екі түрлі: жазық дрейф камералары және сцинтилляторлар. Жазық дрейф камераларының төрт қабаты бар, олардың әрқайсысы көлденең импульсы pT > 1,4 ГэВ/c болатын мюондарды анықтауға қабілетті. Бұл дрейф камералары COT сияқты жұмыс істейді. Олар газ және сымдармен толтырылған. Зарядталған мюондар газды иондастырады, ал сигнал сымдар арқылы оқу құрылғысына беріледі.

Қорытынды

Детектордың әр түрлі компоненттерін түсіну маңызды, себебі детектор қандай деректерді көретінімізді және әрбір бөлшектен қандай сигнал күтуге болатынын анықтайды. Детектор – бұл физиктерге белгілі бір бөлшектің бар екенін "көруге" мүмкіндік беретін, бөлшектерді өзара әрекеттесуге мәжбүрлейтін кедергілер жиынтығы. Егер зарядталған кварк детектордан өтіп бара жатса, оның бар екенін кремний детектордағы қисық траектория және калориметрдегі COT-тың жинаған энергиясы арқылы байқауға болады. Егер нейтрон сияқты бейтарап бөлшек детектордан өтіп кетсе, COT және кремний детекторларда із болмайды, бірақ адрондық калориметрде энергия жиналады. Мюондар COT және кремний детекторларында, сондай-ақ мюон детекторларында энергия түрінде көрінуі мүмкін. Сол сияқты, өте сирек немесе ешқашан өзара әрекеттеспейтін нейтрино тек жоғалған энергия түрінде өзін көрсетеді.