Рождение и распад Z - базонов

               Рождение и распад

 

                     Z-бозонов

 

 

Целью настоящей работы является изучение процессов взаимо-

действия элементарных частиц при  высоких энергиях. Изучение

таких процессов является основой  физической программы совре-

менных ускорителей. В работе используется компьютерное мо-

делирование регистрации продуктов  протон-протонных столкно-

вений при энергиях, соответствующих  энергиям коллайдера LHC.

Исследуются процессы рождения Z-бозонов и их последующие рас-

пады.

1. Большой адронный коллайдер (LHC) и детектор ATLAS.

2. Фундаментальные частицы и фундаментальные взаимодействия.

3. Рождение W и Z-бозонов.

4. Распады промежуточных бозонов. Определение массы Z-бозона.

5. Краткие сведения об используемых программных продуктах.

6. Порядок выполнения работы.

7. Контрольные вопросы и задачи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Большой адронный коллайдер  (LHC)

и детектор ATLAS

Основная задача физики высоких энергий - изучение строения

материи на экстремально малых расстояниях. Для этого необходи-

мы установки, которые могут создавать интенсивные потоки проб-

ных частиц, обладающих как можно меньшей длиной волны де Брой-

ля. Их взаимодействие с мишенью позволяет наблюдать особенности

структуры мишени, размеры которых соизмеримы с длиной волны

пробных частиц. Полная энергия частицы Е и ее импульс p связаны

с приведённой длиной волны (λ=λ\2π) формулой де Бройля:

= (9.1)

где МэВ·с _ постоянная Планка. Из соотношения (9.1)

следует, что чем меньшей длиной волны должна обладать частица,

тем до больших импульсов (энергий) необходимо эту частицу уско-

рить. Для этой цели строят ускорители высоких энергий.

Первые ускорители высоких энергий были созданы в середине

50-х годов практически одновременно в г. Дубне Московской обла-

сти, вблизи Женевы (Швейцария) и в Брукхевене (США). Основ-

ные знания о структуре микромира, об известных в настоящее время

фундаментальных частицах (лептоны, кварки, калибровочные бозо-

ны) и взаимодействиях, получены в экспериментах на ускорителях.

Ускорение частиц очень сложный и дорогостоящий процесс. До-

стичь значительного выигрыша в энергии можно сталкивая между

собой два ускоренных пучка частиц. Для этого оба пучка нужно

одновременно сфокусировать в малом объеме области соударения

и создать столь высокую плотность частиц, чтобы они могли эф-

фективно взаимодействовать. Эти проблемы были успешно решены.

Ускорители такого типа были созданы и получили название ускори-

телей на встречных пучках или коллайдеров (от английского collide

- сталкивать).

Первые коллайдеры, в которых сталкивались электроны, были

запущены в 1965 г. в Институте ядерной физики под Новосибирском

и в Стенфордской лаборатории (США). В 1971 г. был построен кол-

лайдер, где сталкивались протоны, а в 1981 г в Европейской органи-

зации ядерных исследований (сокращенно CERN) вблизи Женевы

был запущен коллайдер, сталкивающий протоны и антипротоны с

суммарной энергией 600 ГэВ в системе центра масс (СЦМ) сталкива-

ющихся пучков, В 1985г. в Фермиевской национальной ускоритель-

ной лаборатории (FNAL) в США был создан коллайдер протонов

и антипротонов с энергией соударения 2 ТэВ в СЦМ (1 ТэВ=

эВ= ГэВ). В таблице 12 приведены характеристики электрон-

позитронных коллайдеров, работающих (или работавших) с нача-

ла 1970-х годов. В первом столбце указано название коллайдера, во

втором _ название научного центра или города в котором работает

ускоритель, в третьем _ годы работы, в четвертом - энергии пучков в

ГэВ в СЦМ. В нижней строчке таблицы приведены характеристики

единственного в настоящее время электрон-протонного коллайдера.

Характеристики протон-антипротонных коллайдеров приведены

в таблице 13. Эксперименты на протон-антипротонном коллайде-

ре CERN привели к открытию в 1983 г. промежуточных W- и Z-

бозонов, являющихся переносчиками слабого взаимодействия. Это

открытие удостоено Нобелевской премии по физике за 1984 год. На

ускорителе TEVATRON (FNAL) в 1995 г. был открыт t-кварк.

 

 

Электрон-позитронные и электрон-протонные

                                  Коллайдеры

 

                                                                                         Таблица 1

 

Название коллайдера	Страна, научный центр	Годы работы	Энергия в СЦМ, ГэВ
SPEAR	США, SLAC	1972 - 1990	4x4
DORIS	Германия, DESY	1973 - 1993	5,6-5,6
CESR	США, Cornell Univ	1979 - н.вр.	6x6
PETRA	Германия, DESY	1978 - 1986	23.4-23.4
РЕP	США, SLAC	1980-1990	15x15
ВЕРS	Пекин	1989 - н.вр.	2.2x2.2
VEPP-4M	Новосибирск, ИЯФ	1994 - н.вр.	6x6
TRISTAN	Япония, КЕК	1987 - 1995	32x32
SLC	США, SLAC	1989 - н.вр.	50x50
LEP-1	Швейцария, CERN	1989 - 1995	50x50
VEP-2M	Новосибирск, ИЯФ	1992 - н.вр.	0.7x0.7
LEP-2	Швейцария, CERN	1996 - н.вр.	100x100
HERA	Германия, DESY	1992 - н.вр.	30(e+, e−) x820(р)

 

             Протон-антипротонные коллайдеры

                                                                   

                                                                       Таблица 2

 

Название коллайдера	Страна, научный центр	Годы работы	Энергия в СЦМ, ГэВ
SppS	CERN	1981 - 1990	315x315
TEVATRON	США, FNAL	1987 - н.вр.	1000x1000

 

 

 

 

Эксперименты на ускорителях дали огромное количество новой

информации об элементарных частицах и характере взаимодействий

между ними. Эта информация стимулировала попытки теоретиче-

ского описания электромагнитных, слабых и сильных взаимодей-

ствии с единых позиций формализма квантовой теории поля. Совре-

менное теоретическое описание взаимодействия элементарных ча-

стиц дается Стандартной Моделью (СМ). В настоящее время СМ

согласуется со всеми известными экспериментальными данными в

области физики высоких энергий. Однако по-прежнему остаются

неясными некоторые вопросы, связанные как с обоснованием самой

модели так и с фундаментальными вопросами физики микромира.

К таким вопросам относятся:

• выяснение механизма возникновения масс элементарных ча-

стиц;

• вопрос существования различных поколений фундаментальных

фермионов и их числа;

• объяснение различия масс кварков и лептонов;

• вопрос о возможной составной природе кварков и лептонов;

• измерение времени жизни протона;

• проблема нарушения CP-симметрии;

• существование симметрии высших порядков, которые предска-

зывают существование суперсимметричных частиц;

• наблюдение нового состояния вещества _ кварк-глюонной плаз-

мы;

• в последние годы в связи с новыми экспериментальными дан-

ными особую остроту приобрела проблема массы нейтрино.

 

Важность перечисленных выше проблем в изучении микромира

обусловило одновременное возникновение в 80-х годах сразу несколь-

ких проектов строительства коллайдеров с энергией соударения, до-

стигающей десятков ТэВ. Однако сложность их реализации привела

к тому, что в настоящее время сооружается лишь один такой кол-

лайдер, где будут сталкиваться протоны с суммарной энергией со-

ударения 14 ТэВ в СЦМ. Он носит название ¾Большой Адронный

Коллайдер¿ (LHC _ Large Hadron Collider) и создается в CERN.

На рисунке 9.1 показана схема ускорительного комплекса CERN.

Протоны и ионы через накопительные кольца поступают в протон-

ный синхротрон PS (26 ГэВ), который инжектирует протоны в про-

тонный синхротрон SPS (450 ГэВ). Протоны из SPS будут посту-

пать в тоннель LНС (14 ТэВ), где до настоящего времени ускорялись

встречные пучки электронов и позитронов на установке LEP. Пуч-

ки LEP и LНС расположены в одном тоннеле, в разных магнитных

системах. Инжектором электронов и позитронов является линейный

ускоритель e+e− linacs, также показанный на рисунке 9.1.

 

 

 

                         Рис. 9.1: Схема ускорительного комплекса CERN

 

Эффективность получения физической информации с коллайде-

ров зависит от интенсивности столкновений встречных пучков в об-

ласти их пересечения. Число столкновений R в секунду определя-

ется произведением сечения взаимодействия пучков _ и светимости

коллайдера L

                                                    

                                          R = L.

Светимость L определяется числами частиц и в сгустках

ускоряемых частиц, числом сгустков в пучках n, а также площадью

поперечного сечения пучков S (в предположении, что они полностью

перекрываются) и частотой обращения частиц в ускорителе f:

                                           

                                          L = fn/S

 

Значения светимостей для современных действующих коллай-

деров составляют около –. Планируемая свети-

мость LHC составляет (режим низкой светимости) _

(режим высокой светимости).

В 1994 г. комитет LHC утвердил два проекта детекторов, предна-

значенных для работы на новом ускорителе: ATLAS (A Toroidal LHC

ApparatuS) и CMS (Compact Muon Solenoid).Оба они были представ-

лены коллективами физиков почти по полторы тысячи человек каж-

дый. Следует заметить, что ныне действующие экспериментальные

установки объединяют максимум несколько сотен сотрудников. Об-

щие принципы действия установок ATLAS и CMS совпадают. Они

максимально перекрывают пространство вокруг места соударения

ускоренных пучков протонов (так называемые 4-детекторы). Ре-

шение строить два детектора для проведения физических исследо-

ваний обусловлено необходимостью подтверждать каждое открытие

независимыми экспериментами. Таким образом, независимо созда-

ваемые установки должны обеспечить надежность получаемых ре-

зультатов. Каждый детектор имеет свою область пересечения пуч-

ков. Всего таких областей на LHC будет четыре. Две из них пред-

назначены для детекторов ATLAS и CMS. Две оставшиеся предна-

значены для детекторов ALICE (исследование соударений тяжелых

ионов, поиск кварк-глюонной плазмы) и LHCb (изучение физики

адронов, содержащих b-кварк). Решение об их строительстве было

принято несколькими годами позже решения о строительстве уста-

новок ATLAS и CMS. Запуск ускорителя LHC и работающих на нем

установок планируется осуществить в 2007 г.

Настоящая лабораторная работа посвящена моделированию экс-

периментов по исследованию характеристик Z-бозона на установке

 

ATLAS. Ниже будет подробно рассказано об устройстве данной уста-

новки и физической программе, которую планируется выполнить на

этой установке.

Основная задача установки ATLAS заключается в том, чтобы

выяснить механизм возникновения масс фундаментальных частиц.

Один из наиболее разработанных механизмов связан с предположе-

нием существования в природе частиц, называемых Хиггсовскими

бозонами. В настоящее время эти частицы еще не обнаружены экс-

периментально. В детекторе предусмотрена возможность их реги-

страции в диапазоне масс от 80 ГэВ до 1 ТэВ. Кроме того, на уста-

новке ATLAS предполагается вести поиск суперсимметричных ча-

стиц, массы которых предсказаны теоретиками в области до 1 ТэВ,

изучать проблему нарушения CP-симметрии и физические свойства

тяжелых кварков.

Детекторы, используемые в физике высоких энергий для реги-

страции частиц, состоят как правило из нескольких структур. Каж-

дая структура рассчитана для регистрации частиц с определенными

характеристиками.

Отдельные структуры детектора расположены так, чтобы части-

цы последовательно проходили через них, оставляя определённую

информацию о прошедшей через них частице. На основе этой инфор-

мации затем восстанавливаются такие характеристики частицы как

её тип, энергия, импульс, характеристики распада. Частица детекти-

руется по взаимодействию с веществом детектора или по вторичным

продуктам распада. Взаимодействие различных типов частиц с от-

дельными структурами детектора показано на рис. 9.2.

Заряженные частицы, такие как протоны, пионы и каоны детек-

тируются трековым детектором, электромагнитным и адронным ка-

лориметрами.

Электроны и позитроны детектируются трековым детектором и

электромагнитным калориметром.

Нейтральные частицы, такие как нейтроны и фотоны, не детек-

тируются в трековом детекторе. Фотоны детектируются электромаг-

нитным калориметром, а нейтроны определяются по энергии, выде-

ляемой в адронном калориметре.

Т.к. мюоны имеют максимальный пробег в веществе детектора

из всех регистрируемых частиц, для их детектирования обычно ис-

пользуют внешние участки детектора – мюонный детектор.

Нейтрино на рис. 9.2 не показаны, потому что они имеют малую

величину сечения взаимодействия с веществом, и, как правило, вы-

ходят из области детектора без взаимодействия.

 

 

 

  Трековый Электро-             Адронный          Мюонный