Введение
Исследовательский проект по физике частиц (1983–2011)
Эксперимент DØ (иногда записывается как D0 эксперимент или DZero эксперимент) представлял собой всемирное сотрудничество ученых, проводящих исследования фундаментальной природы материи. DØ был одним из двух основных экспериментов (вторым был эксперимент CDF), расположенных на коллайдере Tevatron в Фермилабе, штат Иллинойс, город Батавия. Tevatron был ускорителем с самой высокой энергией в мире с 1983 по 2009 год, когда его энергия была превзойдена Большим адронным коллайдером. Эксперимент DØ завершил сбор данных в 2011 году, когда Tevatron был остановлен, но анализ данных продолжается. Детектор DØ сохранен в сборочном корпусе Фермилаба в качестве части исторической экспозиции для экскурсий. Исследования, проводимые в рамках эксперимента DØ, сосредоточены на точных исследованиях взаимодействий протонов и антипротонов при максимально достижимых энергиях. Эти столкновения приводят к возникновению "событий", содержащих множество новых частиц, созданных в результате преобразования энергии в массу в соответствии с соотношением E=mc². Исследования включают в себя интенсивный поиск субатомных частиц, раскрывающих природу фундаментальных строительных блоков Вселенной.
Обзор
В 1981 году директор Fermilab Леон М. Ледерман запросил предварительные предложения для "скромного детектора, созданного небольшой группой", который должен был быть расположен в области взаимодействия "DØ" в кольце Теватрона и дополнять планируемый детектор коллайдера в Fermilab. Более пятнадцати групп представили свои предложения. Три из этих предложений были объединены в один проект под руководством Пола Гранниса, который официально стартовал 1 июля 1983 года. Группа подготовила проектный отчет в ноябре 1984 года. Детектор был завершен в 1991 году, установлен в Теватрон в феврале 1992 года и зарегистрировал первое столкновение в мае 1992 года. Он собирал данные с 1992 по 1996 год, после чего был остановлен для проведения масштабной модернизации. Второй этап работы начался в 2001 году и продолжался до сентября 2011 года. По состоянию на 2019 год анализ данных все еще ведется. Эксперимент DØ – это международное сотрудничество, в пик которого насчитывало около 650 физиков из 88 университетов и национальных лабораторий 21 страны. Он изучал столкновения протонов и антипротонов, циркулирующих в Теватроне, для проверки различных аспектов Стандартной модели физики частиц. Детектор DØ состоял из нескольких вложенных групп субдетекторов, окружающих область столкновения пучков протонов и антипротонов. Субдетекторы обеспечивали более миллиона электронных каналов, которые собирались, оцифровывались и регистрировались для последующего анализа. Около 10 миллионов столкновений протоновых и антипротонных пучков проверялись каждую секунду, и до 500 столкновений в секунду записывались для дальнейшего изучения.
Исследования в области физики
DØ проводила свои научные исследования в шести физических группах: Хиггса, Топ-кварка, Электрослабых взаимодействий, Новых Явлений, КХД и B-физики. Значительные успехи были достигнуты в каждой из них.
Бозон Хиггса
В последующие годы одной из главных физических целей эксперимента DØ был поиск бозона Хиггса, существование которого предсказывалось Стандартной моделью, но масса оставалась неизвестной. До завершения работы в 2000 году эксперименты LEP в ЦЕРН исключили возможность существования бозона Хиггса с массой менее 114,4 ГэВ/c². В 2010 году DØ и CDF расширили запрещенную область, включив в нее область вокруг 160 ГэВ/c². 2 июля 2012 года, в преддверии объявления ЦЕРН об открытии бозона Хиггса, коллаборации DØ и CDF представили свидетельства (с уровнем достоверности около трех сигм) существования бозонов Хиггса, распадающихся преимущественно на b-кварки, что указывало на массу частицы в диапазоне от 115 до 135 ГэВ/c². 4 июля 2012 года эксперименты ATLAS и CMS ЦЕРН объявили об открытии бозона Хиггса с массой 125 ГэВ/c². Методы, разработанные на Теватроне для поиска бозона Хиггса, стали основой для последующих анализов на Большом адронном коллайдере.
Бозоны W и Z
Свойства W и Z бозонов, переносящих слабое ядерное взаимодействие, являются чувствительными индикаторами внутренней согласованности Стандартной модели. В 2012 году эксперимент DØ измерил массу W-бозона с относительной точностью лучше 0,03%, что позволило исключить многие потенциальные модели новой физики. Эксперименты DØ и CDF объединили свои усилия для измерения асимметрии распадов Z-бозонов по направлению вперёд-назад (тенденции положительно заряженных лептонов при распаде появляться чаще в направлении первоначального протона, чем отрицательно заряженных). На основе этих измерений асимметрии был определен слабый угол смешивания, определяющий нарушение электрослабой симметрии на отдельные электромагнитное и слабое взаимодействия, с точностью лучше 0,15%. Этот результат обладает сопоставимой точностью с экспериментами на электронно-позитронных коллайдерах в CERN и SLAC и способствует разрешению давнего противоречия между результатами этих измерений.
Дновые и шарм-кварки
Хотя эксперименты на B-фабриках в KEK, SLAC и IHEP в Пекине, а также эксперимент LHCb в CERN доминировали во многих аспектах изучения адронов, содержащих b или c кварки, DØ внес значительный вклад, используя большие выборки, содержащие все тяжелые адроны, которые можно наблюдать по их распадам на мюоны. В июле 2006 года коллаборация DØ опубликовала первые свидетельства превращения мезона Bs (содержащего анти-b кварк и странный кварк) в свою античастицу. Этот переход происходит примерно 20 триллионов раз в секунду. Если бы существовали новые частицы, помимо частиц Стандартной модели, эта скорость изменилась бы. 14 мая 2010 года коллаборация DØ сообщила о тенденции, согласно которой b и анти-b кварки, образовавшиеся в результате столкновений протонов и антипротонов, чаще приводят к паре положительно заряженных мюонов, чем к паре отрицательно заряженных. Эта тенденция, в сочетании с измерениями асимметрии одиночных мюонов, может помочь объяснить асимметрию материи и антиматерии, ответственную за преобладание материи во Вселенной. Однако экспериментальные результаты, полученные физиками на Большом адронном коллайдере, показали, что "отличие от Стандартной модели несущественно". 12 июня 2007 года коллаборация DØ представила статью в Physical Review Letters, объявляющую об открытии новой частицы под названием Ξb (произносится "зИг суб b") с массой 5.774, что примерно в шесть раз превышает массу протона. Барион Ξb состоит из d-кварка, s-кварка и b-кварка, что делает его первым наблюдаемым барионом, образованным из кварков из всех трех поколений материи. Изначальные гипотезы Мюррея Гелла-Манна и Джорджа Цвайга предполагали возможность существования экзотических мезонов, содержащих два кварка и два антикварка (вместо одного кварка и антикварка). Примеры были впервые обнаружены 40 лет спустя в случаях, когда экзотический мезон содержит более выраженные тяжелые b и c кварки. DØ внес новый вклад в понимание этих экзотических состояний с тяжелым вкусом.
Сильная сила
Квантовая хромодинамика (КХД) — это теория сильного взаимодействия, в которой кварки и глюоны взаимодействуют посредством квантового свойства, аналогичного электрическому заряду в электромагнетизме, называемого «цветом». КХД делает количественные предсказания относительно образования джетов (коллимированных потоков частиц, возникающих при рассеянии кварков или глюонов), фотонов и W- или Z-бозонов. D0 опубликовал серию работ, посвященных исследованию образования джетов в зависимости от энергии пучка, энергии джета и угла образования джета, что согласуется с теоретическими предсказаниями. Заметным результатом 2012 года, полученным DØ, стало измерение джетов очень высокой энергии, образованных при больших углах рассеяния. Это происходит, когда отдельные кварки несут более половины энергии своего родительского протона или антипротона, несмотря на то, что протоны и антипротоны обычно состоят из десятков кварков и глюонов. Результаты измерения были в отличном согласии с предсказаниями. В серии публикаций, в которых наблюдались две пары джетов или фотонов, образовавшихся в результате двух независимых рассеяний кварков и глюонов при столкновении протона и антипротона, характер наблюдаемых частот указал на то, что пространственное распределение глюонов внутри протона меньше, чем у кварков.
Детектор
Детектор DØ состоял из нескольких "поддетекторов", которые были сгруппированы в три оболочки, окружающие точку столкновения. Самая внутренняя оболочка – Центральная система слежения, состоящая из трековых детекторов, помещенных внутрь сверхпроводящего магнита. Вокруг них располагалась вторая оболочка, состоящая из калориметров, измерявших энергию электронов, фотонов и адронов, а также идентифицировавших "джеты" частиц, образующихся при рассеянии кварков и глюонов. Третья оболочка, мюонная система, включала трековые камеры и сцинтилляционные панели, расположенные до и после массивов из твердого железа, создающих магнитное поле, для идентификации мюонов. Весь детектор был заключен в бетонную стену, выполнявшую функцию радиационной защиты. Размеры детектора составляли примерно 10 м × 10 м × 20 м, а вес – около 5500 тонн. В настоящее время он сохраняется в сборочном корпусе DØ в Фермилабе как часть публичной исторической экспозиции.
Центральная система слежения
Центральная система слежения состояла из двух субдетекторов для измерения позиций трасс заряженных частиц и магнитного поля, заставляющего трассы изгибаться, что позволяло измерять их импульсы. Силиконовый микрополосковый трекер был расположен непосредственно за пределами труб пучка Теватрона. Пять концентрических цилиндров, окружающих пучки, и 16 дисков с полосками, перпендикулярными пучкам, обеспечивали точные измерения координат заряженных трасс. Это помогало определять импульсы частиц и различать частицы, возникшие в первичной точке столкновения, и частицы, прошедшие конечное расстояние перед распадом, такие как тау-лептоны и адроны, содержащие b-кварки. Он состоял примерно из 800 000 кремниевых полос шириной 50 микрон, способных измерять положение трассы с точностью до 10 микрон. Внешний радиус кремниевых детекторов был ограничен 10 см из-за их высокой стоимости. Силиконовый микрополосковый трекер был установлен в детекторе для программы коллайдера Tevatron Run II, которая началась в 2001 году. К апрелю 2002 года он был полностью введен в эксплуатацию. За пределами кремниевого трекера цилиндрический сцинтиллирующий фибровый трекер занимал радиальную область между 20 и 52 см и простирался на 2,5 м вдоль линии пучка. Частицы проходили через восемь слоев сцинтиллирующих волокон диаметром 835 микрон. Эти волокна генерировали фотоны при прохождении через них частицы. Свет от каждого из более чем 75 000 волокон передавался на твердотельные сенсоры, которые создавали электронные сигналы, которые оцифровывались и регистрировались. Пространственная точность фибрового трекера составляла около 100 микрон. Сверхпроводящий соленоидный магнит, расположенный непосредственно за пределами фибрового трекера, создавал магнитное поле 2 Т в объеме кремниевого и фибрового трекеров.
Калориметр
Система калориметра состояла из трех калориметров для отбора проб (цилиндрический центральный калориметр и два концевых калориметра), детектора между криостатами и детектора преддуша. Задача калориметров и связанных с ними субдетекторов заключалась в измерении энергий электронов, фотонов, заряженных и нейтральных адронов. Это достигалось, когда входящие частицы проходили через несколько слоев плотного инертного материала, где они взаимодействовали и создавали вторичные частицы. Все эти вторичные частицы образуют душ. Энергия первичной частицы распределялась между множеством частиц дождя значительно меньшей энергии, которые в конечном итоге останавливались, и на этом душ завершался. Между слоями инертного материала располагались детекторы, измерявшие ионизацию частиц. Суммарный ионизационный сигнал, накопленный в течение всего душа, пропорционален энергии первичной частицы. Цилиндрический слой сцинтилляционных полос преддуша был размещен непосредственно за соленоидом и считывался с помощью датчиков волоконного трекера. Аналогичные детекторы преддуша закрывали концы трековой области. Материал в соленоиде, дополненный свинцовыми листами, вызывал образование душей вторичных частиц из первичных электронов и фотонов. Таким образом, детектор преддуша являлся первой стадией калориметрии и обеспечивал точное определение точки падения частицы. Центральный калориметр и два концевых калориметра, закрывающие соленоид, содержали отдельные секции для измерения электромагнитных частиц и адронов. Уран был выбран в качестве инертного поглотителя благодаря его очень высокой плотности. В активных зазорах содержался жидкий аргон с приложенным сильным электрическим полем для сбора ионизации проходящих частиц на мелкосегментированных медных электродах. Эти сигналы объединялись в 50 000 каналов, измерявших энергии частиц и поперечное и продольное развитие душей, что помогало идентифицировать тип частицы. Каждый калориметр содержал около шестидесяти модулей уран-жидкий аргон общей массой от 240 до 300 метрических тонн. Общая толщина калориметра составляла около 175 см, чтобы полностью поглотить дожди самых энергичных частиц, образовавшихся при столкновении. Емкости из нержавеющей стали, необходимые для удержания модулей при температуре жидкого аргона (190 °C), были относительно толстыми, поэтому между центральным и концевыми калориметрами были установлены сцинтилляционные детекторы для коррекции энергии, потерянной в стенках криостата. Основной задачей калориметрии является идентификация джетов – струй частиц, образующихся при вылете кварков и глюонов из точки столкновения. Идентификация джетов и измерение их направлений и энергий позволяют анализу восстановить импульсы первичных кварков и глюонов в основном столкновении.
Мюонный детектор
Внешняя оболочка детектора предназначалась для регистрации мюонов. Высокоэнергетические мюоны достаточно редки и, следовательно, являются верным признаком интересных столкновений. В отличие от большинства частиц, они не поглощались калориметрами, поэтому треки, наблюдаемые за калориметрами, с большой вероятностью принадлежали мюонам. Сцинтилляционные плоскости обеспечивали быстрый сигнал, используемый для выделения интересных событий. Следы мюонов регистрировались одной станцией трековых камер перед и двумя станциями после массивных железных магнитов. Железо большого центрального магнита было получено из циклотрона НАСА, построенного для моделирования радиационного воздействия в космосе.
Триггер и DAQ
Примерно 10 миллионов протон-антипротонных столкновений происходило каждую секунду в детекторе. Поскольку это значительно превышало вычислительные возможности, на ленту за секунду удавалось сохранить лишь малую часть этих событий. Поэтому была реализована сложная система сбора данных (DAQ), которая определяла, какие события достаточно "интересны" для записи на ленту, а какие можно было отбрасывать. Система триггеров использовала электронные сигналы для идентификации событий, представляющих интерес, таких как события, содержащие электроны, мюоны, фотоны, высокоэнергетические струи или частицы, пролетавшие некоторое расстояние перед распадом. Первый уровень триггера использовал быстрые электронные сигналы от каждого субдетектора, чтобы в течение нескольких микросекунд решить, следует ли приостановить сбор данных и оцифровать сигналы. Было принято около 10 000 таких триггеров первого уровня. Второй уровень триггера уточнял отбор, используя оцифрованные сигналы от нескольких субдетекторов в комбинации для формирования более детального профиля события, сокращая пул событий-кандидатов до 1000 событий в секунду. На третьем уровне компьютерный кластер анализировал цифровую информацию, используя упрощенную версию полного оффлайн-компьютерного кода, для получения до 100 событий в секунду, которые затем постоянно записывались и впоследствии анализировались на крупных оффлайн-компьютерных кластерах. Работа системы триггеров представляла собой тонкий баланс между максимизацией количества сохраненных событий и минимизацией времени простоя, возникающего при их сборе. Она должна была быть надежной, поскольку миллионы событий, не отобранных триггером, терялись безвозвратно.