Введение

Американское экспериментальное физическое устройство (1985–2011)

Экспериментальное сотрудничество детектора коллайдера в Фермилабе (CDF) изучало столкновения частиц высоких энергий, полученные на Теватроне – бывшем самом мощном ускорителе частиц в мире. Целью было установление состава и свойств частиц, из которых состоит Вселенная, а также понимание сил и взаимодействий между этими частицами. CDF представляло собой международное сотрудничество, в пике насчитывавшее около 600 физиков (из примерно 30 американских университетов и национальных лабораторий, а также около 30 групп из университетов и национальных лабораторий Италии, Японии, Великобритании, Канады, Германии, Испании, России, Финляндии, Франции, Тайваня, Кореи и Швейцарии). Сам детектор CDF весил около 5000 тонн и имел размеры примерно 12 метров по всем трем координатам. Задача эксперимента заключалась в измерении редких событий среди миллиардов столкновений частиц для:
Поиска свидетельств явлений, выходящих за рамки Стандартной модели физики частиц.
Измерения и изучения рождения и распада тяжелых частиц, таких как верхние и нижние кварки, а также W- и Z-бозонов.
Измерения и изучения рождения высокоэнергетических струй частиц и фотонов.
Изучения других явлений, таких как дифракция. Аппарат CDF регистрировал траектории и энергии электронов, фотонов и легких адронов. Нейтрино не регистрировались аппаратом, что приводило к кажущемуся исчезновению энергии. Существует другой аналогичный эксперимент – DØ, детектор которого располагался в другой точке кольца Теватрона.

История

На Теватроне в Фермилабе были два детектора частиц: CDF и DØ. CDF предшествовал DØ, став первым детектором на Теватроне. История CDF началась в 1976 году, когда Фермилаб создал Отдел сталкивающихся пучков под руководством Джима Кронина. Этот отдел был сосредоточен на разработке как ускорителя для создания сталкивающихся пучков частиц, так и детектора для анализа этих столкновений. В конце 1977 года лаборатория расформировала этот отдел и создала Отдел детекторов столкновений под руководством Элвина Толлеструпа. В 1980 году Рой Швиттерс стал заместителем руководителя CDF, а к сотрудничеству присоединились KEK в Японии и Национальная лаборатория Фраскати в Италии. Сотрудничество завершило концептуальный проект CDF летом 1981 года, а строительство коллизионного зала началось 1 июля 1982 года. Лаборатория представила детектор CDF 11 октября 1985 года, а CDF зарегистрировал первые столкновения протонов и антипротонов на Теватроне 13 октября 1985 года. За годы работы в CDF было проведено два крупных обновления. Первая модернизация началась в 1989 году, а вторая – в 2001 году. Каждое обновление рассматривалось как отдельный «запуск» (run). Запуск 0 был периодом работы до любых обновлений (1988–1989 гг.), Запуск I – после первого обновления, а Запуск II – после второго обновления. Обновления для Запуска I включали добавление кремниевого вершинного детектора (первого такого детектора, установленного в эксперименте на адронном коллайдере), улучшение центральной мюонной системы, добавление системы отслеживания вершин, добавление центральных камер прерадиации и улучшение электронной системы считывания и компьютерных систем. В Запуске II были обновлены центральная система слежения, детекторы преддуша и расширено покрытие мюонами. CDF собирал данные до остановки работы Теватрона в 2011 году, но ученые CDF продолжают анализировать данные, собранные в ходе эксперимента.

Открытие топ-кварка

Одним из самых известных открытий CDF является наблюдение верхнего кварка в феврале 1995 года. Гипотеза о существовании верхнего кварка возникла после наблюдения Упсилона в Фермилабе в 1977 году, который состоял из нижнего кварка и антинижнего кварка. Стандартная модель, наиболее общепринятая теория, описывающая частицы и их взаимодействия, предсказывала существование трех поколений кварков. Кварки первого поколения – верхний и нижний, второго поколения – странный и очарованный, а третье поколение – верхний и нижний. Существование нижнего кварка укрепило уверенность физиков в существовании верхнего кварка. Верхний кварк был последним из кварков, который был обнаружен, главным образом из-за его сравнительно большой массы. В то время как массы других кварков варьируются от 0,005 ГэВ (верхний кварк) до 4,7 ГэВ (нижний кварк), масса верхнего кварка составляет 175 ГэВ. Только Теватрон в Фермилабе обладал достаточной энергией для производства и детектирования пар верхнего и антиверхнего кварков. Большая масса верхнего кварка приводила к тому, что он распадался почти мгновенно, в течение порядка 10−25 секунд, что делало его наблюдение чрезвычайно сложным. Стандартная модель предсказывает, что верхний кварк может распадаться лептонически на нижний кварк и W-бозон. Этот W-бозон, в свою очередь, может распадаться на лептон и нейтрино (t→Wb→ѵlb). Поэтому CDF работала над реконструкцией событий с участием верхнего кварка, специально ища свидетельства существования нижних кварков, W-бозонов и нейтрино. Наконец, в феврале 1995 года у CDF было достаточно данных, чтобы заявить об "открытии" верхнего кварка. 24 февраля исследователи CDF и DØ одновременно представили статьи в журнал Physical Review Letters, описывающие наблюдение верхнего кварка. Оба коллаборации публично объявили об открытии на семинаре в Фермилабе 2 марта, а статьи были опубликованы 3 апреля. В 2019 году Европейское физическое общество присудило коллаборациям CDF и DØ премию Европейского физического общества по физике высоких энергий и частиц 2019 года "за открытие верхнего кварка и детальное измерение его свойств".

Другие открытия и достижения

25 сентября 2006 года коллаборация CDF объявила об открытии быстрого колебания B<sub>s</sub>-мезона между материей и антиматерией со скоростью 3 триллиона раз в секунду, явление, известное как B–B̄-колебание. 8 января 2007 года коллаборация CDF объявила о достижении наиболее точного в мире измерения массы W-бозона, выполненного одним экспериментом. Это позволило установить новые ограничения на возможную массу тогда еще не открытого бозона Хиггса. 7 апреля 2022 года коллаборация CDF опубликовала в журнале Science статью, в которой сообщалось о самом точном на сегодняшний день измерении массы W-бозона, показавшем, что его фактическая масса значительно превышает значение, предсказанное Стандартной моделью, и предыдущие измеренные значения. В 2023 году эксперимент ATLAS на Большом адронном коллайдере представил уточнённое измерение массы W-бозона – 80,360 ± 16 МэВ, которое согласуется с предсказаниями Стандартной модели. Учёные коллаборации CDF также открыли несколько других частиц, включая B<sub>c</sub>-мезон (объявлено 5 марта 1998 года); барионы Σ<sub>b</sub>, состоящие из двух u-кварков и b-кварка, а также двух d-кварков и b-кварка (объявлено 23 октября 2006 года); каскадные барионы Ξ<sub>b</sub>, состоящие из d-, s- и b-кварков (открыты совместно с DØ и объявлено 15 июня 2007 года); и барионы Ω<sub>b</sub>, состоящие из двух s-кварков и b-кварка (объявлено в июне 2009 года).

Слой 1: лучевая труба

Лучевая труба – это самый внутренний слой CDF. Именно в лучевой трубе протоны и антипротоны, движущиеся со скоростью, близкой к 0,99996c, сталкиваются лоб в лоб. Каждый протон движется с огромной энергией, практически со скоростью света. В результате столкновения большая часть энергии преобразуется в массу. Это позволяет протонам и антипротонам аннигилировать, порождая дочерние частицы, такие как топ-кварки с массой 175 ГэВ, которые значительно тяжелее исходных протонов.

Слой 2: детектор кремния

Вокруг лучевой трубы расположен кремниевый детектор. Этот детектор используется для регистрации траекторий заряженных частиц при их прохождении через детектор. Кремниевый детектор начинается на расстоянии r = 1,5 см от линии пучка и простирается до радиуса r = 28 см от линии пучка. Первый слой кремния, известный как слой 00, является односторонним детектором, разработанным для отделения полезного сигнала от фона даже при экстремальном уровне радиации. Остальные слои двухсторонние и радиационно-стойкие, то есть защищены от повреждений, вызванных радиоактивностью. Кремний регистрирует траектории заряженных частиц, проходящих через детектор, посредством ионизации. Высокая плотность кремния в сочетании с низкой энергией ионизации обеспечивает быстрое распространение сигналов ионизации. При прохождении частицы через кремний её положение регистрируется в трех измерениях. Разрешение по траектории для кремниевого детектора составляет 10 мкм, а разрешение по параметру притяжения – 30 мкм. Физики, анализируя этот след ионов, могут определить траекторию частицы. Поскольку кремниевый детектор находится в магнитном поле, кривизна траектории в кремнии позволяет физикам вычислить импульс частицы: чем больше кривизна, тем меньше импульс, и наоборот.

Слой 3: центральный внешний трекер (COT)

Вне кремниевого детектора центральный внешний трекер работает аналогично кремниевому, поскольку он также используется для отслеживания траекторий заряженных частиц и расположен в магнитном поле. Однако, КОТ изготовлен не из кремния. Кремний чрезвычайно дорог и непрактичен для закупки в больших объемах. КОТ – это газовая камера, заполненная десятками тысяч золотых проволок, расположенных слоями, и газом аргон. В КОТ используются два типа проволок: сигнальные и полевые. Сигнальные провода тоньше и притягивают электроны, высвобождаемые при ионизации аргона. Полевые провода толще сигнальных и притягивают положительные ионы, образующиеся при высвобождении электронов. В КОТ имеется 96 слоев проволок, расположенных на расстоянии примерно 3,86 мм друг от друга. Как и в кремниевом детекторе, при прохождении заряженной частицы через камеру происходит ионизация газа. Этот сигнал передается на ближайшую проволоку, а затем – на компьютеры для считывания. Длина КОТ составляет около 3,1 м, он простирается от r = 40 см до r = 137 см. Хотя КОТ не обладает такой же точностью, как кремниевый детектор, его разрешение по положению попадания составляет 140 мкм, а разрешение по импульсу – 0,0015 (GeV/c)−1.

Слой 4: магнит соленоидный

Магнит соленоида окружает как КОТ, так и кремниевый детектор. Цель соленоида – искривлять траекторию заряженных частиц в КОТ и кремниевом детекторе, создавая магнитное поле, параллельное пучку частиц. Радиус соленоида составляет r = 1,5 м, а длина – 4,8 м. Искривление траектории частиц в магнитном поле позволяет физикам рассчитать импульс каждой частицы. Чем больше искривление, тем меньше импульс, и наоборот. Поскольку частицы обладают очень высокой энергией, для искривления их траекторий требуется очень сильный магнит. Соленоид является сверхпроводящим магнитом, охлаждаемым жидким гелием. Гелий понижает температуру магнита до 4,7 К или −268,45 °C, что снижает сопротивление почти до нуля, позволяя магниту проводить высокие токи с минимальным нагревом и очень высокой эффективностью, и тем самым создавать мощное магнитное поле.

Слои 5 и 6: электромагнитные и адронные калориметры

Калориметры измеряют полную энергию частиц, преобразуя энергию частиц в видимый свет посредством полистирольных сцинтилляторов. CDF использует два типа калориметров: электромагнитные калориметры и адронные калориметры. Электромагнитный калориметр измеряет энергию легких частиц, а адронный калориметр измеряет энергию адронов. Центральный электромагнитный калориметр состоит из чередующихся слоев свинца и сцинтиллятора. Каждый слой свинца имеет ширину около [укажите величину, отсутствующую в оригинале]. Свинец используется для остановки частиц при их прохождении через калориметр, а сцинтиллятор – для измерения энергии частиц. Адронный калориметр работает аналогичным образом, за исключением того, что вместо свинца в нем используется сталь. Каждый калориметр образует клин, состоящий как из электромагнитной, так и из адронной секций. Эти клинья имеют длину около 8 футов (2 метра) и расположены вокруг соленоида.

Слой 7: детекторы мюонов

Последний "слой" детектора состоит из мюонных детекторов. Мюоны – это заряженные частицы, которые могут образовываться при распаде тяжелых частиц. Эти высокоэнергетические частицы слабо взаимодействуют, поэтому мюонные детекторы стратегически расположены на самом дальнем слое от лучевой трубы, за массивными стальными стенами. Сталь обеспечивает прохождение только частиц с исключительно высокой энергией, таких как нейтрино и мюоны, к мюонным камерам. Мюонные детекторы состоят из двух основных элементов: планарных дрейф-камер и сцинтилляторов. Существует четыре слоя планарных дрейф-камер, каждая из которых способна обнаруживать мюоны с поперечным импульсом pT > 1.4 ГэВ/c. Эти дрейф-камеры работают по тому же принципу, что и COT. Они заполнены газом и оснащены проволоками. Заряженные мюоны ионизируют газ, а сигнал передается на считывающие устройства по проволокам.

Заключение

Понимание различных компонентов детектора важно, поскольку именно детектор определяет, какими будут выглядеть данные и какой сигнал можно ожидать от каждой частицы. Детектор, по сути, представляет собой набор препятствий, предназначенных для того, чтобы заставить частицы взаимодействовать, что позволяет физикам "видеть" присутствие определенной частицы. Если через детектор проходит заряженный кварк, свидетельством его прохождения станет изогнутая траектория в кремниевом детекторе и энергия, зарегистрированная в COT, в калориметре. Если через детектор проходит нейтральная частица, например нейтрон, следов в COT и кремниевом детекторе не будет, но энергия будет зарегистрирована в адронном калориметре. Мюоны могут проявляться в COT и кремниевом детекторе, а также в виде энергии, зарегистрированной в мюонных детекторах. Аналогично, нейтрино, которое взаимодействует редко или практически никогда, проявляется только в виде недостающей энергии.