El experimento del Área Subterránea 2 (UA2) fue un experimento de física de alta energía en el Colisionador de Protones-Antiprotones ( Sp p S ), una modificación del Sincrotrón Super Protón ( SPS ), en el CERN . El experimento corrió desde 1981 hasta 1990, [1] y su principal objetivo era descubrir los bosones W y Z . UA2, junto con el experimento UA1 , logró descubrir estas partículas en 1983, lo que llevó a que el Premio Nobel de Física 1984 fuera otorgado a Carlo Rubbia y Simon van der Meer.. El experimento UA2 también observó la primera evidencia de producción de chorros en colisiones de hadrones en 1981, y estuvo involucrado en las búsquedas del quark top y de partículas supersimétricas . Pierre Darriulat fue el portavoz de UA2 de 1981 a 1986, seguido de Luigi Di Lella de 1986 a 1990.
Experimentos clave de Sp p S | |
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UA1 | Área subterránea 1 |
UA2 | Área subterránea 2 |
UA4 | Área subterránea 4 |
UA5 | Área subterránea 5 |
Preaceleradores sp p S | |
PD | Sincrotrón de protones |
Automóvil club británico | Acumulador de antiprotón |
Fondo
Alrededor de 1968, Sheldon Glashow , Steven Weinberg y Abdus Salam idearon la teoría electrodébil , que unificaba el electromagnetismo y las interacciones débiles , y por la que compartían el Premio Nobel de Física de 1979 . [2] La teoría postuló la existencia de bosones W y Z, y la presión sobre la comunidad de investigadores para probar la existencia de estas partículas experimentalmente fue sustancial. Durante los años 70 se estableció que las masas de los bosones W y Z estaban en el rango de 60 a 80 GeV (bosón W) y 75 a 92 GeV (bosón Z) - energías demasiado grandes para ser accesibles por cualquier acelerador en operación en ese momento. [3] En 1976, Carlo Rubbia , Peter McIntyre y David Cline propusieron modificar un acelerador de protones (en ese momento ya se estaba ejecutando un acelerador de protones en Fermilab y uno estaba en construcción en el CERN (SPS)) en un colisionador de protones y antiprotones . capaz de alcanzar energías lo suficientemente grandes como para producir bosones W y Z. [4] La propuesta fue adoptada en el CERN en 1978, y el Super Proton Synchrotron (SPS) fue modificado para operar ocasionalmente como un colisionador protón-antiprotón (Sp p S). [5]
Historia
El 29 de junio de 1978 se aprobó el experimento UA1 . El mismo año se hicieron dos propuestas para un segundo detector, con el mismo propósito que UA1. El 14 de diciembre de 1978 se aprobó la propuesta de Pierre Darriulat , Luigi Di Lella y colaboradores. [6] Al igual que UA1 , UA2 era un detector móvil, construido a medida alrededor de la tubería del rayo del colisionador, que buscaba colisiones protón-antiprotón en busca de firmas de las partículas W y Z. [1] El experimento UA2 comenzó a funcionar en diciembre de 1981. La colaboración inicial UA2 consistió en unos 60 físicos de Berna , CERN, Copenhague , Orsay , Pavía y Saclay .
De 1981 a 1985, los experimentos UA1 y UA2 recopilaron datos correspondientes a una luminosidad integrada de aproximadamente 0,9 pb -1 . De 1985 a 1987 se actualizó la Sp p S y la luminosidad de la máquina aumentó en un factor 10 en comparación con el rendimiento anterior. [3] Los subdetectores UA2 también se actualizaron, haciendo que el detector sea hermético, lo que aumentó su capacidad para medir la energía transversal faltante.
La segunda fase experimental se desarrolló entre 1987 y 1990. Grupos de Cambridge , Heidelberg , Milán , Perugia y Pisa se unieron a la colaboración, que creció hasta llegar a unos 100 físicos. Durante esta fase, UA2 acumuló datos correspondientes a una luminosidad integrada de13,0 pb −1 en tres períodos de ejecución principales. [7] Después de casi diez años de funcionamiento, el programa experimental UA2 dejó de funcionar a finales de 1990.
Componentes y funcionamiento
Los experimentos UA1 y UA2 registraron datos durante la operación de colisión protón-antiprotón y retrocedieron después de períodos de toma de datos, de modo que el SPS podría volver a la operación de objetivo fijo. UA2 se movió sobre cojines de aire cuando se quitó de la tubería de la viga del Sp p S. [1]
Construcción
El experimento UA2 estaba ubicado a unos 50 metros bajo tierra, en el anillo del acelerador SPS / Sp p S , y estaba alojado en una gran caverna. La caverna era lo suficientemente grande como para albergar el detector, proporcionar espacio para que se ensamblara en una "posición de garaje" sin apagar el acelerador y adonde también se movió hacia atrás después de períodos de toma de datos. Por lo tanto, el acelerador podría volver a funcionar con un objetivo fijo, después de períodos de funcionamiento como colisionador. [1]
Detectores
Los experimentos UA1 y UA2 tenían muchas cosas en común; ambos operaban con el mismo acelerador y ambos tenían el mismo objetivo (descubrir los bosones W y Z ). La principal diferencia fue el diseño del detector; UA1 era un detector multipropósito , mientras que UA2 tenía un alcance más limitado. [1] UA2 se optimizó para la detección de electrones de W y Z desintegraciones . Se hizo hincapié en un calorímetro altamente granular , un detector que mide la cantidad de energía que se depositan las partículas, con geometría proyectiva esférica, que también se adaptó bien a la detección de chorros hadrónicos . [3] El seguimiento de partículas cargadas se realizó en el detector central y las mediciones de energía se realizaron en los calorímetros. A diferencia de UA1, UA2 no tenía detector de muones .
El calorímetro tenía 24 rebanadas, cada una con un peso de 4 toneladas. [8] Estas rodajas se dispusieron alrededor del punto de colisión como segmentos de una naranja. Las partículas expulsadas de la colisión produjeron lluvias de partículas secundarias en las capas de material pesado. Estas lluvias atravesaban capas de centelleadores de plástico, generando luz que era leída con un fotomultiplicador por la electrónica de recolección de datos. La cantidad de luz era proporcional a la energía de la partícula original. La calibración precisa del calorímetro central permitió medir las masas W y Z con una precisión de aproximadamente el 1%. [9]
Actualizaciones del detector
La actualización 1985-1987 del detector tenía como objetivo dos aspectos: cobertura total del calorímetro y mejor identificación de electrones en momentos transversales más bajos. [10] El primer aspecto se abordó sustituyendo las tapas de los extremos por nuevos calorímetros que cubrieran las regiones 6 ° -40 ° con respecto a la dirección del haz, sellando así el detector herméticamente. Los calorímetros de la tapa terminal consistieron en muestreos de plomo / centelleador para la parte electromagnética y hierro / centelleador para la parte hadrónica. [10] El rendimiento y la granularidad de los nuevos calorímetros se establecieron para coincidir con el calorímetro central, que era de importancia para el sistema de activación.
La identificación de electrones se mejoró mediante el uso de un conjunto de detector de seguimiento central completamente nuevo, que en parte consta de un detector de almohadilla de silicona pionero. En 1989, la colaboración impulsó este concepto aún más al desarrollar un detector de almohadilla de silicona (SPD) con una segmentación de almohadilla más fina para colocarlo directamente alrededor de la tubería del haz de la región de colisión. [11] Este detector fue construido como un cilindro, rodeando de cerca la tubería del rayo. El detector tenía que caber en el espacio disponible de menos de 1 cm. Por tanto, era necesario miniaturizar los componentes del detector. Esto se logró con dos tecnologías completamente nuevas: el sensor de silicio y el circuito integrado específico de aplicación (ASIC). La electrónica existente era demasiado voluminosa y, por lo tanto, se tuvo que desarrollar un nuevo ASIC. Este fue el primer rastreador de silicio adaptado a un experimento de colisionador, una tecnología anterior a los actuales detectores de silicio. [11]
Resultados
Chorros hadrónicos con gran impulso transversal
El primer resultado de la colaboración UA2, publicado el 2 de diciembre de 1982, fue la primera observación inequívoca de la producción de chorros hadrónicos en un momento transversal elevado a partir de colisiones hadrónicas. [12] Las observaciones de chorros hadrónicos confirmaron que la teoría de la cromodinámica cuántica podría describir las características generales de la interacción partón fuerte . [10]
Descubrimiento de los bosones W y Z
La colaboración UA2 y UA1 optó por buscar el bosón W identificando su desintegración leptónica , porque las desintegraciones hadrónicas , aunque más frecuentes, tienen un trasfondo más amplio. [3] A finales de 1982, el Sp p S había alcanzado una luminosidad lo suficientemente alta como para permitir la observación de y decae. El 22 de enero de 1983, la colaboración UA2 anunció que el detector UA2 había registrado cuatro eventos que eran candidatos para un bosón W. Esto elevó el número combinado de eventos candidatos vistos por UA1 y UA2 a 10. Tres días después, el CERN hizo un anuncio público de que se había encontrado el bosón W. [13]
El siguiente paso fue rastrear el bosón Z. Sin embargo, la teoría decía que el bosón Z sería diez veces más raro que el bosón W. Por lo tanto, los experimentos debían recopilar varias veces los datos recopilados en la ejecución de 1982 que mostraban la existencia del bosón W. Con técnicas y métodos mejorados, la luminosidad se incrementó sustancialmente. [14] Estos esfuerzos tuvieron éxito, y el 1 de junio de 1983, se hizo el anuncio formal del descubrimiento del bosón Z en el CERN. [15]
Busca el quark top
A lo largo de las ejecuciones con el detector actualizado, la colaboración UA2 compitió con experimentos en Fermilab en los EE. UU. En la búsqueda del quark top . Los físicos habían anticipado su existencia desde 1977, cuando se descubrió su socio, el quark bottom . Se consideró que el descubrimiento del quark top era inminente.
Durante la ejecución de 1987-1990, UA2 recolectó 2065 decae, y 251 Z decae en pares de electrones, a partir de los cuales la relación entre la masa del bosón W y la masa del bosón Z podría medirse con una precisión del 0,5%. [3] En 1991, se disponía de una medición precisa de la masa del bosón Z de LEP. Utilizando la relación entre la masa W y la masa Z, se podría realizar una primera medición precisa de la masa W. Estos valores de masa podrían usarse para predecir el quark top a partir de su efecto virtual sobre la masa W. El resultado de este estudio dio un valor de masa de quark top en el rango de 110 GeV a 220 GeV, [3] más allá del alcance de la detección directa por UA2 en el Sp p S. El quark top fue finalmente descubierto en 1995 por físicos en Fermilab con una masa cercana a 175 GeV. [16] [17]
Ver también
- Lista de experimentos del sincrotrón de super protones
- Experimento UA1
- Carlo Rubbia
- Simon van der Meer
- Bosones W y Z
Referencias
- ^ a b c d e "UA2" . CERN . Consultado el 21 de junio de 2017 .
- ^ "El Premio Nobel de Física 1979" . Nobelprize.org . 15 de octubre de 1979 . Consultado el 28 de julio de 2017 .
- ^ a b c d e f Di Lella, Luigi; Rubbia, Carlo (2015). "El descubrimiento de los bosones W y Z" . 60 años de experimentos y descubrimientos del CERN . Serie avanzada sobre direcciones en física de altas energías. 23 . World Scientific. págs. 137-163. doi : 10.1142 / 9789814644150_0006 . ISBN 978-981-4644-14-3.
- ^ Rubbia, C .; McIntyre, P .; Cline, D. (8 de junio de 1976). Producción de bosones vectoriales intermedios neutros masivos con aceleradores existentes . Conferencia Internacional de Neutrinos 1976. Aquisgrán, Alemania.
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- ^ "Reunión familiar por el calorímetro UA2" . Boletín CERN . CERN. 3 de agosto de 2015 . Consultado el 28 de julio de 2017 .
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- ^ a b c Froidevaux, D .; Jenni, P. (1989). "Física en el colisionador de ppbar del CERN mejorado". En Altarelli, G .; Di Lella, Luigi (eds.). Física del colisionador de protones y antiprotones . Serie avanzada sobre direcciones en física de altas energías. 4 . Publicaciones científicas mundiales.
- ^ a b Gößling, Claus; Jarron, Pierre (2017). "Un detector de partículas novedoso para UA2: el poder del silicio" . La tecnología se encuentra con la investigación: 60 años de tecnología CERN: aspectos destacados seleccionados . World Scientific.
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enlaces externos
- Archivo de la Colaboración UA2
- Darriulat, Pierre (2004). "Las partículas W y Z: un recuerdo personal", CERN Courier
- Di Lella, Luigi; Rubbia, Carlo (2015. "El descubrimiento de las partículas W y Z" en 60 años de experimentos y descubrimientos del CERN. Servidor de documentos del CERN: World Scientific
- "El experimento": descripción de los experimentos UA1 y UA2 del CERN Courier, noviembre de 1983
- Karl Jakobs (1994). "Los resultados de la física del experimento UA2 en el CERN pp Collider". Servidor de documentos CERN: Instituto Max Planck
- Lista de todas las publicaciones de la Colaboración UA2