Рождение и распад Z - базонов

                                 Детектор                   магнитный            калориметр        детектор

                                                                      калориметр

                            

                               

 

 

 

 

                     Внутренние участки детектора                             Внешние участки детектора

Рис. 9.2: Взаимодействие различных типов частиц с отдельными

               структурами детектора

 

 

Многослойная структура детектора позволяет восстановить тра-

екторию частицы и определить точку взаимодействия с точностью

несколько микрон.

Таким образом каждый тип частиц имеет свою собственную ¾под-

пись¿ в детекторе. Например, если частица обнаруживается только

в электромагнитном калориметре то, скорее всего это фотон. Мюон

оставляет информацию во всех структурах детектора.

Рис. 9.3:

                Рис. 9.3: Общий вид детектора ATLAS

Рассмотрим схему установки ATLAS (рисунок 9.3). Область со-

ударения пучков окружена внутренним детектором (Inner Detector).

Его диаметр составляет 2м, а длина 6,5 м. Он помещен в солено-

ид, который обеспечивает внутри детектора магнитное поле 2 Т. В

магнитном поле треки частиц искривляются в зависимости от знака

заряда частицы и ее импульса. Задача детектора - определение точ-

ки соударения протонов и траекторий вторичных частиц, которые

образуются в результате соударения. Для этого применяются два

типа детектирующих устройств: кремниевые детекторы, обеспечи-

вающие точность измерения координаты частицы около 22 микрон,

и детектор переходного излучения, состоящий из пропорциональных

дрейфовых трубок диаметром 4 мм, между которыми находится ве-

щество радиатора. Детекторы выполнены так, чтобы частицы пересекали их преимущественно перпендикулярно плоскости детектора

или оси трубки.

Чтобы выдержать радиационные нагрузки, кремниевые детекто-

ры должны работать при температуре 0˚С, поэтому эта часть тре-

ковой системы помещена в криостат. Траектория каждой частицы

большой энергии должна иметь 6 прецизионно измеренных точек.

Для этого в установке ATLAS используется 12 тысяч кремниевых

детекторов.

Дрейфовые трубки повторяют геометрию цилиндра в централь-

ной части, их длина достигает 1.6 м, и расположены в виде колец

на большем расстоянии от точки соударения по оси пучка. Точность

определения координаты частицы в дрейфовых трубках составляет

около 150 микрон, но зато число точек измерения на один трек _

36. Кроме того, дрейфовые трубки регистрируют переходное рентге-

новское излучение и, таким образом, обеспечивают идентификацию

электронов. Всего в детекторе используется около 400 тысяч дрей-

фовых трубок. Такое большое количество трубок необходимо для

того, чтобы обеспечить 4-геометрию установки и обусловлено тре-

бованием эффективности восстановления траекторий частиц.

Внутренний трековый детектор заключен в оболочку калоримет-

ров. Калориметрия играет основную роль в установке ATLAS. Она

обеспечивает прецизионное измерение энергии электронов, фотонов,

«струй» адронов, возникающих при адронизации кварков и «недо-

Стающей» энергии, уносимой нейтрино или другими нейтральными

слабовзаимодействующими частицами, например, суперсимметрич-

ными партнерами уже известных частиц. Калориметры состоят из

нескольких крупных модулей, предназначенных для регистрации ад-

ронов и для регистрации электромагнитного излучения в централь-

ной области. Модули электромагнитного калориметра и торцевых

адронных калориметров в качестве вещества поглотителя исполь-

зуют жидкий аргон, что обеспечивает необходимое быстродействие,

высокое разрешение и высокую радиационную стойкость детекто-

ра. Адронный калориметр в центральной части собран из железных

пластин, прослоенных сцинтилляторами. Это более дешевая и до-

статочно надежная конструкция по сравнению с жидкоаргонными

калориметрами.

Мюонная система ATLAS расположена за калориметрами, в ко-

торых поглощаются все электроны, фотоны и адроны.Мюоны имеют

высокую проникающую способность и в калориметрах поглощаются

очень мало. Поэтому практически все зарегистрированные мюонной

системой заряженные частицы являются мюонами. Основным типом               детекторов в мюонной системе являются дрейфовые трубки диамет-

ром 3 см. Результаты измерений, полученные с помощью мюонной

системы (внешней трековой системы), «сшиваются» с данными внут-

реннего детектора для полной идентификации частиц.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Установка ATLAS будет размещена под землей на глубине 100 м.

Соударения протонных пучков будут происходить каждые 25 нано-

секунд, то есть с частотой 40 МГц. При планируемой на первом этапе

светимости ускорителя част/при каждом столкно-

вении пучков будет происходить в среднем 2–3 протонных соударе-

ния. При светимости част/при каждом столкнове-

нии пучков будет происходить 25 протонных соударений

Рис. 9.4: Поперечное сечение детектора ATLAS. 1 _ вакуумная тру-

ба, 2 _ трековый детектор, 3 _ соленоидальный магнит, 4 _ элек-

тромагнитный калориметр, 5 _ адронный калириметр, 6 _ мюон-

ный детектор.

 

 

 

 

 

 

1	Вакуумная труба (Beam Pipe)	Вакуумная труба, внутри которой переме- щаются протоны, расположена вдоль цен- тральной оси детектора. Протоны, двига- ющиеся навстречу друг другу, сталкива- ются в центре детектора.
2	Трековый детектор	Внутренняя часть детектора заполнена чувствительными детекторами сделанны- ми из пластинок кремния очень высокого разрешения, что позволяет с высокой точ- ностью определить траекторию заряжен- ной частицы и место ее рождения.
3	Соленои- дальный магнит	Траектория частицы изгибается в магнит- ном поле. Радиус кривизны говорит об им- пульсе и знаке заряда частицы. Солено- идальный магнит - это огромный моток проволоки, намотанный на катушку, для того чтобы создать однородное магнитное поле внутри обмотки.
4	Электро- магнитный калори- метр	Это прибор для измерения полной энер- гии e+, e- и фотонов. Эти частицы про- изводят ливень e+-e- пар в веществе. e+e- испускают в поле ядра фотоны. Фотоны, в свою очередь, рождают e+-e- пару, кото- рые затем опять испускает фотоны и т.д.... Этот каскад называется "электромагнит- ным ливнем". Максимальное число e+ - e- пар пропорционально энергии первичной частицы.
5	Адронный калори- метр	Этот прибор измеряет полную энер- гию адронов. Адроны взаимодействуют с плотным веществом детектора, произво- дя ливень заряженных частиц. Энергию, выделяемую этими заряженными части- цами, затем измеряют.
6	Мюонный детектор	Только мюоны и нейтрино могут пройти так далеко. Мюоны здесь регистрируют- ся, а слабовзаимодействующие нейтрино улетают. О присутствии нейтрино можно узнать лишь по недостающей энергии.

 

Рис. 9.5: Более детальный вид трекового детектора. 1 _ вакуумная

труба, 2 _ пиксельная камера, 3 _ кремниевый трекер, 4 _ детектор

переходного излучения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1	Вакуумная труба
2	Пиксельная камера (Pixel Tracker)	Сектор, расположенный ближе всего к точке взаимодействия, называется пиксельной каме- рой. Этот детектор состоит из тонких слоев кремния, разделенного на крошечные прямо- угольные области _ ¾пиксели¿ _ pixeles. За- ряженные частицы проходя через эти зоны со- здают сигнал, при помощи которого очень точ- но определяется их траектория. Т. к. пиксели очень крохотные, то их позиции достаточно для того, чтобы определить, была ли частица рож- дена в точке протон-протонного столкновения, или в нескольких мм. от нее. Наличие сдвига говорит о том, что из точки взаимодействия вы- летела короткоживущая частица, которая, про- летев несколько мм,распалась.
3	Кремниевый трекер (Silicon Strip Tracker)	Слои кремния, объединенные в узкие полоски (стрипы), используются для обеспечения точ- ной информации о траектории частицы. Когда заряженная частица проходит через эту секцию, можно определить какой стрип сработал. Такие стрипы позволяют точно узнать пространствен- ные характеристики трека частицы.
4	Детектор переходного излучения	Этот детектор _ проволочный газовый детек- тор, который состоит из маленьких трубок (похожих на солому, поэтому их и прозвали "straw"), в центре которых расположена тон- кая проволочка. Они наполнены специальным газом, а высокое напряжение подается между проволочкой и метализированной стенкой труб- ки. Когда частица пересекает трубку, с прово- лочки идет сигнал, который не только позволя- ет определить, какая из трубочек сработала, но и по временной зависимости определить, как да- леко от проволочки расположен трек частицы.

 

 

 

 

Фундаментальными называют частицы, которые по современным

представлениям не имеют внутренней структуры. В 1963 году М.

Гелл-Маном и Цвейгом была предложена идея кварковой структуры

адронов. За последние 40 лет эта идея была подтверждена целым ря-

дом экспериментов. Экспериментально открыты 12 фундаменталь-

ных фермионов (спин 1/2). Они приведены на рис. 9.6.

Взаимодействие		Поколения			Заряд Q/e
		1	2	3
	Лейптоны	e		T	0 -1
	Кварки	u       d	c      s	t     d	+2/3 -2/3

 

 Рис 9.6  Фундаментальные фермионы

12 фундаментальным фермионам соответствуют 12 антифермио-

нов.

Тип кварка (u,d,s,c,b,t) принято называть его ароматом (flavor).

В таблице 14 перечислены характеристики кварков. Помимо пере-

численных в таблице характеристик, кварки обладают еще одним

квантовым числом, называемым «цвет» (color). Каждый из 6 аро-

матов кварков (u,d,c,s,b,t) существует в трех цветовых разновидно-

стях, например: зеленой, синей и красной. Антикварки имеют соот-

ветствующий антицвет: антизеленый, антисиний, антикрасный. Ад-

роны «бесцветны» то есть цвета составляющих их кварков переме-

шаны поровну и в сумме дают отсутствие цвета («белый» цвет).

Кварки в свободном состоянии не наблюдаются, они входят в со-

став адронов _ частиц, участвующих в сильных взаимодействиях.

Адроны, имеющие полуцелый спин, называются барионами. Извест-

ные барионы состоят из трех кварков (qqq) и имеют барионный заряд

B = 1. К числу барионов относятся протон и нейтрон с кварковыми

структурами p=(uud), n=(udd). Адроны, состоящие из кварков пяти

ароматов (u,d,c,s,b), были подробно изучены с помощью ускорите-

лей. t-кварк столь массивен, что для его образования потребовались

ускорители колоссальных энергий. В апреле 1995 года он был обна-

ружен в экспериментах Национальной ускорительной лаборатории

им. Э. Ферми (FNAL).

Частицы, имеющие целый спин, называются мезонами. Они име-

ют барионный заряд B = 0. Мезоны состоят из кварка и антикварка

(q¯q).

Переносчики сильного взаимодействия – глюоны имеют не один,

а два цветовых индекса (цвет и антицвет). Всего имеется 8 цвет-

ных глюонов, поскольку комбинация з¯з+с¯с+к¯к не имеет цветового

заряда (т.е. является «белой») и, следовательно, не переносит силь-

ное взаимодействие. В свободном состоянии глюоны не существуют.

Они, как и кварки, «заперты» внутри бесцветных адронов

                                                                                                                Таблица 3

Характеристика	Символ	d	u	s	c	b	t
электрический заряд	Q/e	-1/3	+2/3	-1/3	+2/3	-1/3	+2/3
изоспин	I	1/2	1/2	0	0	0	0
проекция изо- спина		-1/2	+1/2	0	0	0	0
странность (strangeness)	s	0	0	-1	0	0	0
charm	c	0	0	0	+1	0	0
bottomness (beauty)	b	0	0	0	0	-1	0
topness (truth)	t	0	0	0	0	0	+1

 

Кроме кварков существует еще шесть типов фермионов со спином

1/2, называемых лептонами. Они не участвуют в сильных взаимо-

действиях. В отличие от кварков, любой из шести лептонов наблю-

дается в свободном состоянии. Электрон - самый изученный леп-

тон. Два других заряженных лептона - мюон (открыт в 1937 году

в космических лучах) и -лептон (открыт в 1975 году на ускорите-

ле). Остальные три лептона - это нейтрино, нейтральные частицы

с очень большой проникающей способностью и, вероятно, очень ма-

лой массой (если она вообще у них есть). Каждому заряженному

лептону соответствует свое нейтрино. Для каждого из шести лепто-

нов существует антилептон с такой же массой и противоположным

электрическим зарядом и лептонным квантовым числом.

Для практически полного описания окружающего мира доста-

точно кварков и лептонов первого поколения. Роль частиц второго и третьего поколений до конца не ясна. Предполагается, что существо-

вание трех поколений фермионов должно вести к CP-нарушению в

природе и к преобладанию вещества над антивеществом, что, в ко-

нечном счете, обуславливает существование окружающего нас мира.

 

Таблица 4

Взаимодействие	Квант поле	Радиус, см	Порядок величин Констант взаимо- Действия (E < 1 ГэВ)	Пример проявления
сильное	8 глюонов		1	ядро, адроны
электромагнитное	-квант			атом
слабое	W, Z			-распад
гравитационное	гравитон			сила тяжести