Experimentieren - DØ experiment
Das DØ-Experiment (manchmal auch D0-Experiment oder DZero-Experiment geschrieben ) war eine weltweite Zusammenarbeit von Wissenschaftlern, die die grundlegende Natur der Materie erforschten . DØ war eines von zwei großen Experimenten (das andere war das CDF- Experiment) am Tevatron Collider in Fermilab in Batavia, Illinois . Das Tevatron war von 1983 bis 2009 der energiereichste Beschleuniger der Welt , als seine Energie vom Large Hadron Collider übertroffen wurde . Das DØ-Experiment stoppte die Datenerfassung im Jahr 2011, als das Tevatron heruntergefahren wurde, aber die Datenanalyse ist noch im Gange. Der DØ-Detektor wird im DØ-Montagegebäude von Fermilab als Teil einer historischen Ausstellung für öffentliche Führungen aufbewahrt.
Die DØ-Forschung konzentriert sich auf genaue Studien der Wechselwirkungen von Protonen und Antiprotonen bei den höchsten verfügbaren Energien. Diese Kollisionen führen zu "Ereignissen", die viele neue Teilchen enthalten, die durch die Umwandlung von Energie in Masse gemäß der Beziehung E=mc 2 entstehen . Die Forschung beinhaltet eine intensive Suche nach subatomaren Hinweisen, die den Charakter der Bausteine des Universums enthüllen.
Überblick
1981 bat Fermilab-Direktor Leon M. Lederman um vorläufige Vorschläge für einen "bescheidenen Detektor, der von einer bescheidenen Gruppe gebaut wurde", der sich in der 'DØ'-Wechselwirkungsregion im Tevatron-Ring befinden und den geplanten Collider-Detektor bei Fermilab ergänzen würde . Mehr als fünfzehn Gruppen haben Vorschläge eingereicht. Drei dieser Vorschläge wurden unter der Leitung von Paul Grannis zu einem Projekt zusammengeführt , das offiziell am 1. Juli 1983 begann. Die Gruppe erstellte im November 1984 einen Entwurfsbericht. Der Detektor wurde 1991 fertiggestellt und im Februar im Tevatron platziert 1992 und beobachtete seine erste Kollision im Mai 1992. Es zeichnete Daten von 1992 bis 1996 auf, als es für größere Upgrades stillgelegt wurde. Der zweite Lauf begann 2001 und dauerte bis September 2011. Ab 2019 wird die Datenanalyse noch durchgeführt.
Das DØ-Experiment ist eine internationale Zusammenarbeit, an der auf ihrem Höhepunkt etwa 650 Physiker von 88 Universitäten und nationalen Labors aus 21 Ländern beteiligt waren. Es untersuchte die Kollisionen zwischen den im Tevatron zirkulierenden Protonen und Antiprotonen, um viele Aspekte des Standardmodells der Teilchenphysik zu testen .
Der DØ-Detektor bestand aus mehreren verschachtelten Subdetektorgruppen, die den Bereich umgaben, in dem die Protonen und Antiprotonen des Strahls kollidierten. Die Subdetektoren stellten über eine Million elektronische Kanäle bereit, die für Offline-Analysen gesammelt, digitalisiert und protokolliert wurden. Etwa 10 Millionen Kollisionen der Protonen- und Antiprotonenstrahlen wurden jede Sekunde inspiziert und bis zu 500 Kollisionen pro Sekunde für weitere Studien aufgezeichnet.
Physikforschung
DØ führte seine wissenschaftlichen Studien in sechs Physikgruppen durch: Higgs, Top, Electroweak, New Phenomena, QCD und B Physics. In jedem von ihnen wurden erhebliche Fortschritte erzielt.
Top-Quark
Eines der frühen Ziele des DØ-Experiments war die Entdeckung des Top-Quarks, des letzten der sechs Materiebestandteile, die vom Standardmodell der Teilchenphysik vorhergesagt wurden. Die DØ- und CDF-Experimente sammelten beide Daten für die Suche, verwendeten jedoch unterschiedliche Beobachtungs- und Analysetechniken, die eine unabhängige Bestätigung der Ergebnisse des anderen ermöglichten.
Am 24. Februar 1995 reichten DØ und CDF bei Physical Review Letters Forschungsarbeiten ein, in denen die Beobachtung von Top- und Antitop-Quark-Paaren beschrieben wurde, die durch die starke Wechselwirkung erzeugt wurden. Am 2. März 1995 meldeten die beiden Kollaborationen gemeinsam die Entdeckung des Top-Quarks mit einer Masse von etwa175 GeV/ c 2 (fast die eines Goldkerns).
Am 4. März 2009 gaben die DØ- und CDF-Kollaborationen die Entdeckung der Produktion einzelner Top-Quarks über die schwache Wechselwirkung bekannt. Dieser Prozess läuft etwa halb so schnell ab wie die Produktion von Top-Quark-Paaren, ist aber viel schwieriger zu beobachten, da er schwieriger von Hintergrundprozessen zu unterscheiden ist, die falsche Signale erzeugen können. Die einzelnen Top-Quark-Studien wurden verwendet, um die Top-Quark-Lebensdauer von etwa 5 × 10 –25 Sekunden zu messen, das letzte unbekannte Element der CKM-Matrix der Quark- Intergenerationenmischung zu messen und nach neuer Physik jenseits des Standardmodells zu suchen.
Präzisionsmessungen von Top-Quark-Eigenschaften wie Masse, Ladung, Zerfallsmoden, Produktionseigenschaften und Polarisation wurden in über hundert Publikationen beschrieben.
Die European Physical Society verlieh den Kooperationen von DØ und CDF den High Energy and Particle Physics Prize 2019 der European Physical Society "für die Entdeckung des Top-Quarks und die detaillierte Messung seiner Eigenschaften".
- Homepage der Top-Quark-Physikgruppe von DØ
Higgs-Boson
In späteren Jahren war eines der wichtigsten physikalischen Ziele des DØ-Experiments die Suche nach dem Higgs-Boson , das vom Standardmodell vorhergesagt wurde , jedoch mit einer unbekannten Masse. Die LEP- Experimente am CERN hatten vor ihrem Abschluss im Jahr 2000 die Existenz eines solchen Higgs-Bosons mit einer Masse kleiner als . ausgeschlossen114,4 GeV/ c 2 . 2010 erweiterten DØ und CDF den verbotenen Bereich um ein Fenster um160 GeV/ c 2 .
Am 2. Juli 2012 gaben die DØ- und CDF-Kollaborationen in Erwartung einer Ankündigung des CERN über die Entdeckung des Higgs-Bosons ihre Beweise (bei etwa drei Standardabweichungen) für den Zerfall von Higgs-Bosonen in die dominanten b-Quark-Endzustände bekannt, was darauf hindeutete, Teilchen hatte eine Masse zwischen 115 und 135 GeV/c 2 . Am 4. Juli 2012 gaben die ATLAS- und CMS- Experimente des CERN die Entdeckung des Higgs-Bosons mit einer Masse von 125 GeV/c 2 bekannt .
Die am Tevatron entwickelten Techniken für die Suche nach Higgs-Bosonen dienten als Sprungbrett für nachfolgende LHC-Analysen.
W- und Z-Bosonen
Die Eigenschaften der W- und Z-Bosonen, die die schwache Kernkraft übertragen, sind empfindliche Indikatoren für die interne Konsistenz des Standardmodells. Im Jahr 2012 hat DØ die Masse des W-Bosons mit einer relativen Genauigkeit von besser als 0,03 % gemessen, was viele potenzielle Modelle neuer Physik ausschließt.
Die DØ- und CDF-Experimente kombinierten, um die Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie beim Zerfall von Z-Bosonen zu messen (die Tendenz positiver Zerfallsleptonen, häufiger näher an der einfallenden Protonenrichtung aufzutauchen als negative Zerfallsleptonen). Aus diesen Asymmetriemessungen wurde der schwache Mischungswinkel, der das Brechen der elektroschwachen Symmetrie in unterschiedliche elektromagnetische und schwache Kräfte bestimmt, mit einer Genauigkeit von besser als 0,15% gemessen. Dieses Ergebnis hat eine vergleichbare Präzision wie Elektron-Positron-Collider-Experimente am CERN und SLAC und hilft, eine seit langem bestehende Spannung zwischen diesen Messungen aufzulösen.
Bottom- und Charm-Quarks
Obwohl die B-Factory- Experimente an KEK , SLAC und IHEP in Peking und das LHCb-Experiment am CERN viele Aspekte der Untersuchung von Hadronen mit b- oder c-Quarks dominiert haben, hat DØ bemerkenswerte Beiträge geleistet, indem er große Proben verwendet, die alle Heavy Flavour Hadronen enthalten das kann durch ihren Zerfall zu Myonen gesehen werden.
Im Juli 2006 veröffentlichte die DØ-Kollaboration den ersten Beweis für die Umwandlung des B s -Mesons (das ein Anti-b-Quark und ein Strange-Quark enthält) in sein Antiteilchen. Der Übergang erfolgt etwa 20 Billionen Mal pro Sekunde. Gäbe es neue Partikel, die über die im Standardmodell hinausgehen, wäre diese Rate geändert worden.
Am 14. Mai 2010 gab die DØ-Kollaboration bekannt, dass b- und anti-b-Quarks, die bei Proton-Antiproton-Kollisionen erzeugt werden, häufiger zu einem Paar positiv geladener Myonen führen als zu einem negativ geladenen Paar. Diese Tendenz könnte zusammen mit Messungen einzelner Myon-Asymmetrien helfen, die Materie-Antimaterie-Asymmetrie zu erklären, die für die Dominanz der Materie im Universum verantwortlich ist. Experimentelle Ergebnisse von Physikern am Large Hadron Collider haben jedoch gezeigt, dass "der Unterschied zum Standardmodell unbedeutend ist".
Am 12. Juni 2007 reichte die DØ-Kollaboration ein Papier bei Physical Review Letters ein , in dem die Entdeckung eines neuen Teilchens namens Ξ b (ausgesprochen "zigh sub b") mit einer Masse von . bekannt gegeben wurde5,774 ± 0,019 GeV/ c 2 , ungefähr die sechsfache Masse eines Protons. Das Ξ b -Baryon besteht aus einem Down- , einem Strange- und einem Bottom- Quark und ist damit das erste beobachtete Baryon, das aus Quarks aller drei Materiegenerationen gebildet wurde.
Die ursprünglichen Quark-Hypothesen von Murray Gell-Mann und George Zweig stellten fest, dass exotische Mesonen mit zwei Quarks und zwei Antiquarks (statt nur Quark und Antiquark) möglich sind. 40 Jahre später wurden schließlich Beispiele in Fällen beobachtet, in denen das exotische Meson die markanteren schweren b- und c-Quarks enthält. DØ hat zu einem neuen Verständnis dieser exotischen Zustände mit schwerem Geschmack beigetragen.
Starke Kraft
Quantenchromodynamik (QCD) ist die Theorie der starken Wechselwirkung, bei der Quarks und Gluonen durch eine Quanteneigenschaft, analog zur elektrischen Ladung für den Elektromagnetismus, wechselwirken, die "Farbe" genannt wird. QCD macht quantitative Vorhersagen für die Produktion von Jets (kollimierte Sprays von Partikeln, die aus gestreuten Quarks oder Gluonen entstanden), Photonen und W- oder Z-Bosonen. Ein bemerkenswertes Ergebnis von DØ im Jahr 2012 war die Messung von Jets mit sehr hoher Energie, die bei großen Streuwinkeln erzeugt wurden. Dies tritt auf, wenn einzelne Quarks mehr als die Hälfte der Energie ihres Mutterprotons oder Antiprotons tragen, obwohl Proton und Antiproton typischerweise aus Dutzenden von Quarks und Gluonen aufgebaut sind. Die Messung stimmte hervorragend mit der Vorhersage überein. In einer Reihe von Veröffentlichungen, in denen zwei Paare von Jets oder Photonen beobachtet wurden, die aus zwei unabhängigen Streuungen von Quarks und Gluonen innerhalb einer einzigen Proton-Antiproton-Begegnung stammen, zeigte das Muster dieser Geschwindigkeiten, dass die räumliche Ausdehnung der Gluonen innerhalb des Protons kleiner als . ist das für Quarks.
Detektor
Der DØ-Detektor bestand aus mehreren "Sub-Detektoren", die in drei Schalen gruppiert waren, die den Kollisionspunkt umgaben. Die innerste Hülle war das Central Tracking System, bestehend aus Tracking-Detektoren, die in einem supraleitenden Magneten eingeschlossen waren. Diese waren von einer zweiten Hülle umgeben, die aus Kalorimetern bestand, die die Energie von Elektronen, Photonen und Hadronen maß und "Jets" von Teilchen identifizierte, die aus gestreuten Quarks und Gluonen entstanden. Die dritte Schale, das Myonensystem, hatte Verfolgungskammern und Szintillatorplatten vor und nach magnetisierten festen Eisenmagneten, um Myonen zu identifizieren. Der gesamte Detektor war hinter einer Betonsteinmauer eingeschlossen, die als Strahlungsschutz diente. Der Detektor maß etwa 10 m × 10 m × 20 m und wog etwa 5.500 Tonnen. Es wird im DØ-Montagegebäude des Fermilab als Teil einer öffentlichen historischen Ausstellung aufbewahrt.
Zentrales Tracking-System
Das zentrale Tracking-System verfügte über zwei Subdetektoren zur Messung der Spurpositionen geladener Teilchen und ein Magnetfeld, um eine Biegung der Spuren zu bewirken, wodurch eine Messung ihrer Impulse ermöglicht wurde.
Der Silizium-Mikrostreifen-Tracker befand sich direkt außerhalb der Tevatron-Strahlrohre. Fünf zu den Balken konzentrische Trommeln und 16 Scheiben mit senkrecht zu den Balken verlaufenden Streifen lieferten Präzisionsmessungen der geladenen Spurkoordinaten. Diese halfen dabei, Teilchenimpulse zu bestimmen und die Teilchen, die aus dem primären Kollisionspunkt austraten, von denen zu unterscheiden, die vor ihrem Zerfall eine endliche Strecke zurückgelegt hatten, wie Tau-Leptonen und Hadronen mit Bottom-Quarks. Es bestand aus etwa 800.000 Siliziumstreifen mit einer Breite von 50 Mikrometern, die in der Lage waren, die Spurposition bis auf etwa 10 Mikrometer zu messen. Der Außenradius der Siliziumdetektoren wurde aufgrund ihrer hohen Kosten auf 10 cm begrenzt. Der Silizium-Mikrostreifen-Tracker wurde im Detektor für das 2001 gestartete Tevatron Run II-Collider-Programm installiert. Es war im April 2002 voll funktionsfähig.
Außerhalb des Silizium-Trackers belegte der zylindrische Szintillationsfaser-Tracker den radialen Bereich zwischen 20 und 52 cm und 2,5 m entlang der Strahllinie. Die Partikel durchquerten acht Schichten von szintillierenden Fasern mit einem Durchmesser von 835 Mikrometern. Diese Fasern erzeugten Photonen, wenn ein Teilchen sie durchdrang. Licht von jeder der mehr als 75.000 Fasern wurde an Festkörpersensoren übertragen, die elektronische Signale erzeugten, die digitalisiert und protokolliert wurden. Die räumliche Präzision des Fasertrackers betrug etwa 100 Mikrometer.
Ein supraleitender Solenoidmagnet wurde direkt außerhalb des Fasertrackers angeordnet und erzeugte ein 2 T-Magnetfeld im Silizium- und Fasertrackervolumen.
Kalorimeter
Das Kalorimetersystem bestand aus drei Probenkalorimetern (einem zylindrischen Zentralkalorimeter und zwei Endkalorimetern), einem Interkryostat-Detektor und einem Preshower-Detektor. Die Aufgabe der Kalorimeter und zugehörigen Subdetektoren war die Messung der Energien von Elektronen, Photonen, geladenen und neutralen Hadronen. Dies wurde erreicht, indem einfallende Partikel mehrere Schichten von dichtem inertem Material durchqueren, in denen sie wechselwirkten und Sekundärpartikel erzeugten. Die Ansammlung all dieser Sekundärteilchen wird als Schauer bezeichnet. Die Energie des Vorläuferteilchens wurde auf viele Schauerteilchen mit viel niedrigerer Energie aufgeteilt, die schließlich aufhörten, an welchem Punkt der Schauer endete. Zwischen den Schichten des inerten Materials befanden sich Detektoren, in denen die Ionisation der Partikel gemessen wurde. Das über den Schauer summierte Gesamtionisationssignal ist proportional zur Energie des Vorläuferteilchens.
Eine zylindrische Schicht aus Szintillator-basierten Preshower-Streifen wurde unmittelbar außerhalb des Solenoids platziert und mit Faser-Tracker-Sensoren ausgelesen. Ähnliche Preshower-Detektoren bedeckten die Enden des Verfolgungsbereichs. Das mit Bleiplatten angereicherte Material im Solenoid verursachte, dass Primärelektronen und Photonen einen Schauer von Sekundärteilchen begannen. Der Preshower-Detektor war somit die erste Stufe der Kalorimetrie und lieferte eine genaue Ortung des Partikelaufprallpunktes.
Ein zentrales Kalorimeter außen und zwei Endkalorimeter, die das Solenoid bedecken, enthielten separate Abschnitte zum Messen von elektromagnetischen Teilchen und Hadronen. Uran wurde wegen seiner sehr hohen Dichte für die inerten Absorberplatten gewählt. Die aktiven Lücken enthielten flüssiges Argon mit einem starken elektrischen Feld, das angelegt wurde, um die Ionisation von durchquerenden Partikeln auf fein segmentierten Ebenen von Kupferelektroden zu sammeln. Diese Signale wurden in 50.000 Signale zusammengefasst, die die Teilchenenergien und die transversalen und longitudinalen Schauerformen maßen, die bei der Identifizierung des Teilchentyps halfen. Jedes Kalorimeter enthielt etwa sechzig Uran-Flüssig-Argon-Module mit einem Gesamtgewicht von 240 bis 300 Tonnen. Die Gesamtdicke eines Kalorimeters betrug etwa 175 cm, um die Schauer der energiereichsten Teilchen einer Kollision vollständig zu absorbieren. Die Edelstahlbehälter, die benötigt wurden, um die Module bei der Temperatur von flüssigem Argon (-190 °C) aufzunehmen, waren relativ dick, daher wurden Szintillationsdetektoren zwischen dem zentralen und dem Endkalorimeter eingefügt, um den Energieverlust in den Kryostatwänden zu korrigieren.
Eine primäre Aufgabe der Kalorimetrie ist die Identifizierung von Jets, den als Quarks und Gluonen erzeugten Partikelsprays, die aus ihrem Kollisionspunkt entweichen. Die Identifizierung von Jets und die Messung ihrer Richtungen und Energien ermöglichen Analysen, um die Impulse der zugrunde liegenden Quarks und Gluonen bei der primären Kollision nachzubilden.
Myon-Detektor
Die äußerste Hülle des Detektors diente der Myonenerkennung . Hochenergetische Myonen sind ziemlich selten und daher ein verräterisches Zeichen für interessante Kollisionen. Im Gegensatz zu den meisten Partikeln wurden sie in den Kalorimetern nicht absorbiert, so dass die Spuren, die außerhalb der Kalorimeter beobachtet wurden, höchstwahrscheinlich Myonen waren. Szintillatorflugzeuge lieferten eine schnelle Signatur, mit der interessante Ereignisse gekennzeichnet wurden. Eine Station mit Tracking-Kammern davor und zwei Stationen danach nehmen feste Eisenmagnete die Myonenspuren auf. Das Eisen des großen Zentralmagneten wurde von einem NASA-Zyklotron zurückgewonnen, das gebaut wurde, um Strahlungsschäden im Weltraum zu simulieren.
Trigger und DAQ
Ungefähr 10 Millionen Proton-Antiproton-Kollisionen ereigneten sich jede Sekunde im Detektor. Da dies die Rechenkapazitäten bei weitem überstieg, konnte nur ein Bruchteil dieser Ereignisse pro Sekunde auf Band gespeichert werden. Daher wurde ein kompliziertes Datenerfassungssystem (DAQ) implementiert, das feststellte, welche Ereignisse "interessant" genug waren, um auf Band geschrieben zu werden, und welche weggeworfen werden konnten. Das Triggersystem nutzte die elektronischen Signale, um interessierende Ereignisse zu identifizieren, beispielsweise solche, die Elektronen, Myonen, Photonen, hochenergetische Jets oder Teilchen enthalten, die vor ihrem Zerfall eine gewisse Distanz zurückgelegt haben. Die erste Triggerstufe nutzte die schnellen elektronischen Signale jedes Subdetektors, um innerhalb weniger Mikrosekunden zu entscheiden, ob die Datenaufnahme angehalten und die Signale digitalisiert werden sollen. Etwa 10.000 solcher Level-1-Trigger wurden akzeptiert. Eine zweite Triggerstufe verfeinerte die Auswahl unter Verwendung der digitalisierten Signale von mehreren Subdetektoren in Kombination, um ein nuancierteres Ereignisprofil zu bilden, wodurch der Kandidaten-Ereignispool auf 1000 Ereignisse pro Sekunde reduziert wurde. In der dritten Ebene analysierte eine Computerfarm die digitalen Informationen in einer abgespeckten Version des vollständigen Offline-Computercodes, um bis zu 100 Ereignisse pro Sekunde zu erhalten, die dauerhaft aufgezeichnet und anschließend auf großen Offline-Computerfarmen analysiert werden. Der Betrieb des Triggersystems war ein empfindliches Gleichgewicht zwischen der Maximierung der Anzahl der gespeicherten Ereignisse und der Minimierung der beim Sammeln anfallenden Totzeit. Es musste robust und zuverlässig sein, da die Millionen von Ereignissen, die nicht vom Auslöser ausgewählt wurden, für immer verloren gingen.