Эксперимент UA2 на Большом адронном коллайдере: Открытие W и Z бозонов.
UA2 experiment
Эксперимент UA2 в CERN: открытие W и Z бозонов в 1983 году, приведшее к Нобелевской премии. Исследования кварков, струй и SUSY-частиц. Физика высоких энергий.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Эксперимент по физике частиц в CERNЭксперимент подземной зоны 2 (UA2) был экспериментом по физике высоких энергий на протон-антипротонном коллайдере (SpS) — модификации суперпротонного синхротрона (SPS) — в CERN. Эксперимент проводился с 1981 по 1990 год, и его основной целью было открытие W и Z бозонов. Эксперимент UA2, совместно с экспериментом UA1, успешно обнаружил эти частицы в 1983 году, что привело к присуждению Нобелевской премии по физике в 1984 году Карло Руббии и Саймону ван дер Меру. Эксперимент UA2 также наблюдал первые свидетельства рождения струй в адронных столкновениях в 1981 году и участвовал в поисках верхнего кварка и суперсимметричных частиц. Пьер Дарриулат был руководителем эксперимента UA2 с 1981 по 1986 год, а затем Луиджи Ди Лелла с 1986 по 1990 год.
Particle physics experiment at CERNThe Underground Area 2 (UA2) experiment was a high energy physics experiment at the Proton Antiproton Collider (SpS) — a modification of the Super Proton Synchrotron (SPS) — at CERN. The experiment ran from 1981 until 1990, and its main objective was to discover the W and Z bosons. UA2, together with the UA1 experiment, succeeded in discovering these particles in 1983, leading to the 1984 Nobel Prize in Physics being awarded to Carlo Rubbia and Simon van der Meer. The UA2 experiment also observed the first evidence for jet production in hadron collisions in 1981, and was involved in the searches of the top quark and of supersymmetric particles. Pierre Darriulat was the spokesperson of UA2 from 1981 to 1986, followed by Luigi Di Lella from 1986 to 1990.
Предыстория
Около 1968 года Шелдон Глашоу, Стивен Вайнберг и Абдус Салам разработали электрослабую теорию, объединяющую электромагнетизм и слабые взаимодействия, за которую они разделили Нобелевскую премию по физике в 1979 году. Теория постулировала существование W и Z бозонов, и на научное сообщество оказывалось значительное давление с целью экспериментального подтверждения существования этих частиц. В 1970-х годах было установлено, что массы W и Z бозонов находятся в диапазоне от 60 до 80 ГэВ (для W бозона) и от 75 до 92 ГэВ (для Z бозона) – энергии, недостижимые для действующих на тот момент ускорителей. В 1976 году Карло Руббия, Питер МакИнтайр и Дэвид Клайн предложили модифицировать протонный ускоритель – в то время протонный ускоритель уже работал в Фермилабе, а другой строился в ЦЕРНе (SPS) – в коллайдер протонов и антипротонов, способный достигать энергий, достаточных для создания W и Z бозонов. Предложение было одобрено в ЦЕРНе в 1978 году, и Суперпротонный синхротрон (SPS) был модифицирован для периодической работы в режиме коллайдера протонов и антипротонов (SpS).
Around 1968 Sheldon Glashow, Steven Weinberg, and Abdus Salam came up with the electroweak theory, which unified electromagnetism and weak interactions, and for which they shared the 1979 Nobel Prize in Physics. The theory postulated the existence of W and Z bosons, and the pressure on the research community to prove the existence of these particles experimentally was substantial. During the 70s it was established that the masses of the W and Z bosons were in the range of 60 to 80 GeV (W boson) and 75 to 92 GeV (Z boson) — energies too large to be accessible by any accelerator in operation at that time. In 1976, Carlo Rubbia, Peter McIntyre and David Cline proposed to modify a proton accelerator — at that time a proton accelerator was already running at Fermilab and one was under construction at CERN (SPS) — into a proton–antiproton collider, able to reach energies large enough to produce W and Z bosons. The proposal was adopted at CERN in 1978, and the Super Proton Synchrotron (SPS) was modified to occasionally operate as a proton antiproton collider (SpS).
История
29 июня 1978 года эксперимент UA1 был одобрен. В том же году поступило два предложения о создании второго детектора, преследующего ту же цель, что и UA1. 14 декабря 1978 года было одобрено предложение Пьера Дарриула, Луиджи Ди Лелла и их коллег. Как и UA1, UA2 представлял собой подвижный детектор, изготовленный по индивидуальному заказу вокруг лучевой трубы коллайдера, который использовался для поиска сигнатур частиц W и Z в столкновениях протонов и антипротонов. После почти десяти лет эксплуатации экспериментальная программа UA2 была завершена в конце 1990 года.
On 29 June 1978 the UA1 experiment was approved. Two proposals for a second detector, with the same purpose as UA1, were made the same year. On 14 December 1978, the proposal of Pierre Darriulat, Luigi Di Lella and collaborators, was approved. Like UA1, UA2 was a moveable detector, custom built around the beam pipe of the collider, which searched proton–antiproton collisions for signatures of the W and Z particles. After nearly ten years of operation, the UA2 experimental program stopped running at the end of 1990.
Компоненты и эксплуатация
Эксперименты UA1 и UA2 собирали данные во время столкновений протонов и антипротонов и перемещались обратно после периодов сбора данных, чтобы SPS мог вернуться к работе с неподвижными мишенями. UA2 перемещали на воздушных подушках при извлечении из лучевой трубы SpS. Измерения энергии проводились в калориметрах. В отличие от UA1, UA2 не имел мюонного детектора. Калориметр состоял из 24 секторов, каждый весом 4 тонны. Эти сектора были расположены вокруг точки столкновения, подобно долькам апельсина. Частицы, вылетавшие при столкновении, создавали каскады вторичных частиц в слоях тяжелого материала. Эти каскады проходили через слои пластиковых сцинтилляторов, генерируя свет, который считывался фотоумножителями электронной системой сбора данных. Интенсивность света была пропорциональна энергии исходной частицы. Точная калибровка центрального калориметра позволила измерить массы W и Z с точностью около 1%.
The UA1 and UA2 experiments recorded data during proton–antiproton collision operation and moved back after periods of data taking, so that the SPS could revert to fixed target operation. UA2 was moved on air cushions when removed from the beam pipe of the SpS. Energy measurements were performed in the calorimeters. Unlike UA1, UA2 had no muon detector. The calorimeter had 24 slices, each weighing 4 tons. These slices were arranged around the collision point like segments of an orange. Particles ejected from the collision produced showers of secondary particles in the layers of heavy material. These showers passed through layers of plastic scintillators, generating light which was read with photomultiplier by the data collection electronics. The amount of light was proportional to the energy of the original particle. Accurate calibration of the central calorimeter allowed the W and Z masses to be measured with a precision of about 1%.
Обновление детектора
В 1985–1987 годах модернизация детектора была направлена на два аспекта: обеспечение полного углового охвата калориметром и улучшение идентификации электронов при более низких поперечных импульсах. Первый аспект был решен путем замены торцевых крышек новыми калориметрами, покрывающими области 6°–40° относительно направления пучка, что позволило герметично закрыть детектор. Калориметры торцевых крышек состояли из свинцово-сцинтилляционных сэмплеров для электромагнитной части и железно-сцинтилляционных сэмплеров для адронной части. Детектор был построен в виде цилиндра, плотно окружающего лучепровод. Детектор должен был поместиться в доступное пространство менее 1 см. Поэтому потребовалось миниатюризировать компоненты детектора. Это было достигнуто благодаря двум совершенно новым технологиям: кремниевому сенсору и специализированной интегральной схеме (ASIC). Существующая электроника была слишком громоздкой, поэтому потребовалось разработать новый ASIC. Это был первый кремниевый трекер, адаптированный для эксперимента на коллайдере, технология, предшествовавшая современным кремниевым детекторам. Наблюдения адронных струй подтвердили, что теория квантовой хромодинамики способна описывать общие черты сильного партонного взаимодействия. Следующим шагом было обнаружение Z-бозона. Однако теория предсказывала, что Z-бозон будет в десять раз реже, чем W-бозон. Следовательно, экспериментам требовалось собрать в несколько раз больше данных, чем было собрано в 1982 году, когда было продемонстрировано существование W-бозона. Благодаря усовершенствованным методикам и технологиям, светимость была существенно увеличена. Эти усилия увенчались успехом, и 1 июня 1983 года в ЦЕРНе было официально объявлено об открытии Z-бозона.
The 1985 1987 upgrade of the detector was aimed at two aspects: full calorimeter coverage and better electron identification at lower transverse momenta. The first aspect was addressed by replacing the end caps with new calorimeters that covered the regions 6° 40° with respect to the beam direction, thereby hermetically sealing the detector. The end cap calorimeters consisted of lead/scintillator samplings for the electromagnetic part, and iron/scintillator for the hadronic part. This detector was built as a cylinder, closely surrounding the beam pipe. The detector had to fit into the available space of less than 1 cm. It was therefore necessary to miniaturize the components of the detector. This was achieved with two brand new technologies: the silicon sensor and the Application Specific Integrated Circuit (ASIC). Existing electronics were too bulky, and therefore a novel ASIC had to be developed. This was the first silicon tracker adapted to a collider experiment, a technology prior to the present silicon detectors. Observations of hadronic jets confirmed that the theory of quantum chromodynamics could describe the gross features of the strong parton interaction. The next step was to track down the Z boson. However, the theory said that the Z boson would be ten times rarer than the W boson. The experiments therefore needed to collect several times the data collected in the 1982 run that showed the existence of the W boson. With improved techniques and methods, the luminosity was increased substantially. These efforts were successful, and on 1 June 1983, the formal announcement of the discovery of the Z boson was made at CERN.
Поиск верхнего кварка
Во время работы с модернизированным детектором коллаборация UA2 конкурировала с экспериментами в Фермилабе (Fermilab) в США в поисках верхнего кварка. Физики предсказывали его существование с 1977 года, когда был открыт его парный кварк — нижний кварк. Ожидалось, что открытие верхнего кварка не за горами. В период с 1987 по 1990 год UA2 зарегистрировал 2065 распадов и 251 распад Z-бозонов на электрон-позитронные пары, на основе которых отношение массы W-бозона к массе Z-бозона было измерено с точностью 0,5%.
Throughout the runs with the upgraded detector, the UA2 collaboration was in competition with experiments at Fermilab in the US in the search for the top quark. Physicists had anticipated its existence since 1977, when its partner — the bottom quark — was discovered. It was felt that the discovery of the top quark was imminent. During the 1987 1990 run UA2 collected 2065 decays, and 251 Z decays to electron pairs, from which the ratio of the mass of the W boson and the mass of the Z boson could be measured with a precision of 0.5%.