Detector de colisionador en Fermilab
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Wilson Hall en Fermilab
Parte del detector CDF

La colaboración experimental del Detector Colisionador de Fermilab (CDF) estudia las colisiones de partículas de alta energía del Tevatron , el antiguo acelerador de partículas de mayor energía del mundo . El objetivo es descubrir la identidad y las propiedades de las partículas que componen el universo y comprender las fuerzas y las interacciones entre esas partículas.

CDF es una colaboración internacional que, en su apogeo, consistió en unos 600 físicos [1] (de unas 30 universidades estadounidenses y laboratorios nacionales y unos 30 grupos de universidades y laboratorios nacionales de Italia , Japón , Reino Unido , Canadá , Alemania , España , Rusia , Finlandia , Francia , Taiwán , Corea y Suiza ). [2] El detector CDF en sí pesaba alrededor de 5000 toneladas [3]y medía unos 12 metros en las tres dimensiones. El objetivo del experimento es medir eventos excepcionales de los miles de millones de colisiones de partículas para:

El Tevatron colisionó protones y antiprotones a una energía de centro de masa de aproximadamente 2 TeV. La altísima energía disponible para estas colisiones hizo posible producir partículas pesadas como el quark Top y los bosones W y Z , que pesan mucho más que un protón (o antiprotón ). Estas partículas más pesadas se identificaron a través de sus desintegraciones características. [4] El aparato CDF registró las trayectorias y energías de electrones, fotones y hadrones de luz . Los neutrinos no se registraron en el aparato, lo que provocó una aparente falta de energía . [5]

Hay otro experimento similar al CDF llamado DØ que tenía un detector ubicado en otro punto del anillo de Tevatron.

Historia de la FCD

Había dos detectores de partículas ubicados en el Tevatron en Fermilab: CDF y DØ. CDF es anterior a DØ como el primer detector en el Tevatron. Los orígenes de la FCD se remontan a 1976, cuando Fermilab estableció el Departamento de Vigas en Colisión bajo el liderazgo de Jim Cronin . Este departamento se centró en el desarrollo tanto del acelerador que produciría haces de partículas en colisión como del detector que analizaría esas colisiones. Cuando el laboratorio disolvió este departamento a fines de 1977, estableció el Departamento de instalaciones de detectores de colisiones bajo el liderazgo de Alvin Tollestrup.. La colaboración completó un informe de diseño conceptual para CDF en el verano de 1981, y la construcción de la sala de colisiones comenzó el 1 de julio de 1982. El laboratorio dedicó el detector CDF el 11 de octubre de 1985, y CDF observó las primeras colisiones protón-antiprotón del Tevatron. el 13 de octubre de 1985. [6]

A lo largo de los años, se realizaron dos actualizaciones importantes en CDF. La primera actualización comenzó en 1989 y la segunda en 2001. Cada actualización se consideró una "ejecución". La ejecución 0 fue la ejecución antes de cualquier actualización, la ejecución I fue después de la primera actualización y la ejecución II fue después de la segunda actualización. Run II incluye actualizaciones en el sistema de seguimiento central, detectores de pre-ducha y extensión en la cobertura de muones. [7]

Después de 2004

El Tevatron se cerró en 2011.

Descubrimiento del quark top

Foto de grupo de CDF Collaboration, 14 de abril de 1994。

Uno de los descubrimientos más famosos de la CDF es la observación del quark top en febrero de 1995. [8] La existencia del quark top se planteó como hipótesis después de la observación del Upsilon en Fermilab en 1977, que se encontró que consistía en un quark bottom y un quark anti-fondo. El Modelo Estándar , que hoy es la teoría más aceptada que describe las partículas y las interacciones, predijo la existencia de tres generaciones de quarks. [9] Los quarks de primera generación son los quarks up y down, los quarks de segunda generación son extraños y encantadores, y los quarks de tercera generación son top e bottom. La existencia del quark inferior solidificó la convicción de los físicos de que existía el quark superior. [10]El quark top fue el último quark que se observó, principalmente debido a su masa comparativamente alta. Mientras que las masas de los otros quarks oscilan entre .005 GeV (quark up) y 4.7GeV (quark bottom), el quark top tiene una masa de 175 GeV. [11] Solo el Tevatron de Fermilab tenía la capacidad de energía para producir y detectar los mejores pares anti-top. La gran masa del quark top hizo que el quark top se desintegrara casi instantáneamente, en el orden de 10-25 segundos, lo que lo hacía extremadamente difícil de observar. El modelo estándar predice que el quark superior puede decaer leptónicamente en un quark inferior y un bosón W. Este bosón W puede entonces descomponerse en un leptón y un neutrino (t → Wb → ѵlb). Por lo tanto, CDF trabajó para reconstruir eventos superiores, buscando específicamente evidencia de quarks inferiores, neutrinos de bosones W. Finalmente, en febrero de 1995, la CDF tenía pruebas suficientes para decir que habían "descubierto" el quark top. [12]

Cómo funciona CDF

Para que los físicos comprendan los datos correspondientes a cada evento, deben comprender los componentes del detector CDF y cómo funciona el detector. Cada componente afecta el aspecto que tendrán los datos. Hoy en día, el detector de 5000 toneladas se encuentra en B0 y analiza millones de colisiones de haces por segundo. [13] El detector está diseñado en muchas capas diferentes. Cada una de estas capas trabaja simultáneamente con los otros componentes del detector en un esfuerzo por interactuar con las diferentes partículas, dando así a los físicos la oportunidad de "ver" y estudiar las partículas individuales.

CDF se puede dividir en capas de la siguiente manera:

  • Capa 1: tubo de viga
  • Capa 2: Detector de silicio
  • Capa 3: rastreador exterior central
  • Capa 4: Imán de solenoide
  • Capa 5: Calorímetros electromagnéticos
  • Capa 6: Calorímetros hadrónicos
  • Capa 7: Detectores de muones

Capa 1: el tubo de la viga

El tubo de la viga es la capa más interna de CDF. La tubería del haz es donde los protones y antiprotones, viajando a aproximadamente 0.99996 c, chocan frontalmente. Cada uno de los protones se mueve muy cerca de la velocidad de la luz con energías extremadamente altas. En una colisión, gran parte de la energía se convierte en masa. Esto permite la aniquilación de protones / anti-protones para producir partículas hijas, como los quarks superiores con una masa de 175 GeV, mucho más pesados ​​que los protones originales. [14]

Capa 2: detector de silicio

Detector de vértices de silicio CDF
Sección transversal del detector de silicio

Rodeando el tubo del rayo está el detector de silicio. Este detector se utiliza para rastrear el camino de las partículas cargadas a medida que viajan a través del detector. El detector de silicio comienza en un radio de r  = 1,5 cm desde la línea del haz y se extiende hasta un radio de r  = 28 cm desde la línea del haz. [7] El detector de silicio está compuesto por siete capas de silicio dispuestas en forma de barril alrededor del tubo del rayo. El silicio se usa a menudo en detectores de partículas cargadas debido a su alta sensibilidad, lo que permite un seguimiento y vértices de alta resolución. [15]La primera capa de silicio, conocida como Capa 00, es un detector de un solo lado diseñado para separar la señal del fondo incluso bajo radiación extrema. Las capas restantes son de doble cara y resistentes a la radiación, lo que significa que las capas están protegidas del daño de la radiactividad. [7] El silicio trabaja para rastrear los caminos de las partículas cargadas a medida que pasan a través del detector ionizando el silicio. La densidad del silicio, junto con la baja energía de ionización del silicio, permite que las señales de ionización viajen rápidamente. [15] A medida que una partícula viaja a través del silicio, su posición se registrará en 3 dimensiones. El detector de silicio tiene una resolución de impacto de pista de 10 μm y una resolución de parámetro de impacto de 30 μm. [7]Los físicos pueden observar este rastro de iones y determinar el camino que tomó la partícula. [14] Como el detector de silicio está ubicado dentro de un campo magnético, la curvatura del camino a través del silicio permite a los físicos calcular el momento de la partícula. Más curvatura significa menos impulso y viceversa.

Capa 3: rastreador exterior central (COT)

Fuera del detector de silicio, el rastreador exterior central funciona de manera muy similar al detector de silicio, ya que también se utiliza para rastrear las trayectorias de partículas cargadas y también se encuentra dentro de un campo magnético. Sin embargo, el COT no está hecho de silicio. El silicio es tremendamente caro y no es práctico comprarlo en cantidades extremas. COT es una cámara de gas llena de decenas de miles de alambres de oro dispuestos en capas y gas argón. En el COT se utilizan dos tipos de cables: cables de detección y cables de campo. Los cables de detección son más delgados y atraen los electrones que libera el gas argón a medida que se ioniza. Los cables de campo son más gruesos que los cables de detección y atraen los iones positivos formados por la liberación de electrones. [14]Hay 96 capas de alambre y cada alambre se coloca aproximadamente a 3,86 mm entre sí. [7] Como en el detector de silicio, cuando una partícula cargada pasa a través de la cámara, ioniza el gas. Esta señal luego se lleva a un cable cercano, que luego se lleva a las computadoras para su lectura. El COT mide aproximadamente 3,1 m de largo y se extiende desde r  = 40 cm hasta r  = 137 cm. Aunque el COT no es tan preciso como el detector de silicio, el COT tiene una resolución de posición de impacto de 140 μm y una resolución de impulso de 0.0015 (GeV / c) -1 . [7]

Capa 4: imán de solenoide

El imán de solenoide rodea tanto el COT como el detector de silicio. El propósito del solenoide es doblar la trayectoria de las partículas cargadas en el COT y el detector de silicio creando un campo magnético paralelo al haz. [7]El solenoide tiene un radio de r = 1,5 my una longitud de 4,8 m. La curvatura de la trayectoria de las partículas en el campo magnético permite a los físicos calcular el momento de cada una de las partículas. Cuanto mayor sea la curvatura, menor será el impulso y viceversa. Debido a que las partículas tienen una energía tan alta, se necesita un imán muy fuerte para doblar las trayectorias de las partículas. El solenoide es un imán superconductor enfriado por helio líquido. El helio reduce la temperatura del imán a 4,7 K o -268,45 ° C, lo que reduce la resistencia a casi cero, lo que permite que el imán conduzca altas corrientes con un calentamiento mínimo y una eficiencia muy alta, creando un potente campo magnético. [14]

Capas 5 y 6: calorímetros electromagnéticos y hadrónicos

Los calorímetros cuantifican la energía total de las partículas convirtiendo la energía de las partículas en luz visible a través de centelleadores de poliestireno. CDF utiliza dos tipos de calorímetros: calorímetros electromagnéticos y calorímetros hadrónicos. El calorímetro electromagnético mide la energía de las partículas de luz y el calorímetro hadrónico mide la energía de los hadrones. [14] El calorímetro electromagnético central utiliza hojas alternas de plomo y centelleador. Cada capa de plomo mide aproximadamente 20 mm ( 3 ⁄ 4 pulg.) de ancho. El plomo se usa para detener las partículas a medida que pasan a través del calorímetro y el centelleador se usa para cuantificar la energía de las partículas. El calorímetro hadrónico funciona de la misma manera, excepto que el calorímetro hadrónico usa acero en lugar de plomo. [7] Cada calorímetro forma una cuña, que consta de un calorímetro electromagnético y un calorímetro hadrónico. Estas cuñas miden aproximadamente 2,4 m (8 pies) de largo y están dispuestas alrededor del solenoide. [14]

Capa 7: detectores de muones

La "capa" final del detector consiste en los detectores de muones. Los muones son partículas cargadas que pueden producirse cuando las partículas pesadas se desintegran. Estas partículas de alta energía apenas interactúan, por lo que los detectores de muones se colocan estratégicamente en la capa más alejada de la tubería de haz detrás de grandes paredes de acero. El acero asegura que solo las partículas de energía extremadamente alta, como neutrinos y muones, pasen a las cámaras de muones. [14] Hay dos aspectos de los detectores de muones: las cámaras de deriva planas y los centelleadores. Hay cuatro capas de cámaras de deriva planas, cada una con la capacidad de detectar muones con un momento transversal p T > 1,4 GeV / c. [7]Estas cámaras de deriva funcionan de la misma forma que la COT. Están llenos de gas y alambre. Los muones cargados ionizan el gas y los cables transmiten la señal a la lectura. [14]

Conclusión

Comprender los diferentes componentes del detector es importante porque el detector determina cómo se verán los datos y qué señal se puede esperar ver para cada una de sus partículas. Es importante recordar que un detector es básicamente un conjunto de obstáculos que se utilizan para obligar a las partículas a interactuar, lo que permite a los físicos "ver" la presencia de una determinada partícula. Si un quark cargado pasa a través del detector, la evidencia de este quark será una trayectoria curva en el detector de silicio y la energía depositada COT en el calorímetro. Si una partícula neutra, como un neutrón, pasa a través del detector, no habrá rastro en el COT ni en el detector de silicio, pero se depositará energía en el calorímetro hadrónico. Los muones pueden aparecer en el detector de silicio y COT y como energía depositada en los detectores de muones. Asimismo, un neutrino,que rara vez o nunca interactúa, se expresará solo en forma de energía faltante.

Referencias

  1. ↑ Toback, David (30 de junio de 2017). "CDF publica 700 artículos" . Fermilab - Noticias en el trabajo . Consultado el 5 de enero de 2021 .
  2. ↑ a b Yoh, John (20 de abril de 2005). "Breve introducción al experimento CDF" . El detector de colisionadores en Fermilab . Consultado el 5 de enero de 2020 .
  3. ↑ Browne, Malcolm W. (1 de marzo de 1995). "Top Quark sigue siendo un misterio, pero sólo por un día más (publicado en 1995)" . The New York Times . ISSN 0362-4331 . Consultado el 5 de enero de 2021 . 
  4. ↑ Denisov, Dmitri; Konigsberg, Jacobo (15 de abril de 2016). "El legado de Tevatron: una historia de luminosidad" . Mensajero del CERN . Consultado el 12 de marzo de 2021 .
  5. ^ Yoh, John (7 de enero de 2005). "Introducción al detector CDF y las partículas que observamos" . El detector de colisionadores en Fermilab . Consultado el 12 de marzo de 2021 .
  6. ^ Hoddeson, Lillian; Kolb, Adrienne; Westfall, Catherine (2008). Fermilab: física, frontera y megaciencia . Chicago: Prensa de la Universidad de Chicago. ISBN 978-0-226-34623-6. OCLC  192045754 .
  7. ^ a b c d e f g h i "Breve descripción del detector CDF en la ejecución II". (2004): 1-2.
  8. ^ Kilminster, Ben. Resultados "CDF" de la semana "en Fermilab Today". El detector de colisionadores en Fermilab. Detector de colisionador en Fermilab. 28 de abril de 2009 < http://www-cdf.fnal.gov/rotw/CDF_ROW_descriptions.html >.
  9. ^ "El modelo estándar" . CERN . CERN . Consultado el 28 de mayo de 2019 .
  10. ^ Lankford, Andy. "Descubrimiento del Top Quark". Detector de colisionador en Fermilab. 25 de abril de 2009 < http://www.ps.uci.edu/physics/news/lankford.html >.
  11. ^ "Gráfico de Quark". La aventura de las partículas. Grupo de datos de partículas. 5 de mayo de 2009 < http://www3.fi.mdp.edu.ar/fc3/particle/quark_chart.html [ enlace muerto permanente ] >.
  12. ^ Quigg, Chris. "Descubrimiento del Top Quark". 1996. Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi. 8 de mayo de 2009 < http://lutece.fnal.gov/Papers/PhysNews95.html >.
  13. ^ Yoh, John (2005). Breve introducción al experimento CDF. Consultado el 28 de abril de 2008, sitio web: http://www-cdf.fnal.gov/events/cdfintro.html < http://www-cdf.fnal.gov/upgrades/tdr/tdr.html >
  14. ↑ a b c d e f g h Lee, Jenny (2008). El detector de colisionadores en Fermilab. Obtenido el 26 de septiembre de 2008 del sitio web del Tour Virtual de la CDF: http://www-cdf.fnal.gov/
  15. ^ a b "Detectores de partículas". Grupo de datos de partículas. 24 de julio de 2008. Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi. 11 de mayo de 2009 < http://pdg.lbl.gov/2008/reviews/rpp2008-rev-particle-detectors.pdf >.

Otras lecturas

  • Mundos dentro del átomo, artículo de National Geographic, mayo de 1985

enlaces externos

  • Página de noticias de Fermilab
  • El detector de colisionadores en Fermilab (CDF)
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