DØ-Experiment – Wikipedia

DØ Zentralkalorimeter im Bau bei Fermilab

Die DØ-Zusammenarbeit im Februar 1992.

DØ im Bau, die Installation des zentralen Trackingsystems

Das Experimentieren (manchmal geschrieben D0-Experiment, oder DZero-Experiment) war eine weltweite Zusammenarbeit von Wissenschaftlern, die die fundamentale Natur der Materie erforschten. DØ war eines von zwei Hauptexperimenten (das andere war das CDF-Experiment) am Tevatron Collider in Fermilab in Batavia, Illinois. Der Tevatron war von 1983 bis 2009 der energiereichste Beschleuniger der Welt, als seine Energie vom Large Hadron Collider übertroffen wurde.^[1] Das DØ-Experiment hat 2011 die Datenerfassung eingestellt, als der Tevatron heruntergefahren wurde.^[2] Die Datenanalyse ist jedoch noch nicht abgeschlossen. Der DØ-Detektor wird im DØ-Versammlungsgebäude von Fermilab als Teil einer historischen Ausstellung für öffentliche Führungen aufbewahrt.^[3]

Die DØ-Forschung konzentriert sich auf präzise Untersuchungen der Wechselwirkungen von Protonen und Antiprotonen bei den höchsten verfügbaren Energien. Diese Kollisionen führen zu “Ereignissen”, die viele neue Teilchen enthalten, die durch Umwandlung von Energie in Masse gemäß der Beziehung E = mc erzeugt werden². Die Forschung beinhaltet eine intensive Suche nach subatomaren Hinweisen, die den Charakter der Bausteine ​​des Universums offenbaren.^[4]

Überblick[edit]

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 Interaktionsregion “DØ” im Tevatron-Ring befindet und den geplanten Collider-Detektor in Fermilab ergänzt.^[5] Mehr als fünfzehn Gruppen reichten Vorschläge ein. Drei dieser Vorschläge wurden unter der Leitung von Paul Grannis, die offiziell am 1. Juli 1983 begann, zu einem Versuch zusammengeführt. 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.^[6][7] Es zeichnete Daten von 1992 bis 1996 auf, als es wegen größerer Upgrades heruntergefahren wurde. Der zweite Lauf begann im Jahr 2001 und dauerte bis September 2011. Ab 2019 wird die Datenanalyse noch fortgesetzt.^[8]

Das DØ-Experiment ist eine internationale Zusammenarbeit, an der auf ihrem Höhepunkt etwa 650 Physiker von 88 Universitäten und nationale Laboratorien aus 21 Ländern teilnahmen.^[9][10] 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 Strahlprotonen und Antiprotonen kollidierten. Die Subdetektoren stellten über eine Million Elektronikkanäle bereit^[11] Diese wurden gesammelt, digitalisiert und für Offline-Analysen protokolliert. Über 10 Millionen Kollisionen^[12] der Protonen- und Antiprotonenstrahlen wurden jede Sekunde inspiziert und bis zu 500 Kollisionen pro Sekunde für weitere Untersuchungen aufgezeichnet.^[13]

Physikforschung[edit]

DØ führte seine wissenschaftlichen Studien in sechs Physikgruppen durch: Higgs, Top, Electroweak, New Phenomena, QCD und B Physics. In jedem von ihnen wurden bedeutende Fortschritte erzielt.^[14]

DØ Detektor mit großem Flüssig-Argon-Kalorimeter

Top Quark[edit]

Eines der frühen Ziele des DØ-Experiments war es, den Top-Quark zu entdecken.^[15] der letzte der sechs Bestandteile der Materie, die vom Standardmodell der Teilchenphysik vorhergesagt werden. Die DØ- und CDF-Experimente sammelten beide Daten für die Suche, verwendeten jedoch unterschiedliche Beobachtungs- und Analysetechniken, die eine unabhängige Bestätigung der Ergebnisse des jeweils anderen ermöglichten.

Am 24. Februar 1995 reichten DØ und CDF Forschungsarbeiten bei ein Briefe zur körperlichen Überprüfung Beschreibung der Beobachtung von Top- und Antitop-Quarkpaaren, die durch die starke Wechselwirkung erzeugt werden.^[16] Am 2. März 1995 berichteten die beiden Kooperationen gemeinsam über die Entdeckung des Top-Quarks in einer Masse von etwa 175 GeV /c² (fast das eines Goldkerns).^[17][18][19]

Am 4. März 2009 kündigten die Kooperationen DØ und CDF die Entdeckung der Produktion von Single-Top-Quarks über die schwache Wechselwirkung an. Dieser Prozess verläuft etwa halb so schnell wie die Produktion von Top-Quark-Paaren, ist jedoch viel schwieriger zu beobachten, da es schwieriger ist, von Hintergrundprozessen zu unterscheiden, die falsche Signale erzeugen können. Die Einzel-Top-Quark-Studien wurden verwendet, um die Top-Quark-Lebensdauer von etwa 5 × 10 zu messen⁻²⁵ Sekunden, messen Sie das letzte unbekannte Element der CKM-Matrix der Quark-Mischung zwischen den Generationen und suchen Sie nach neuer Physik jenseits des Standardmodells.^[20]

Präzisionsmessungen von Top-Quark-Eigenschaften wie Masse, Ladung, Zerfallsmodi, Produktionseigenschaften und Polarisation wurden in über hundert Veröffentlichungen berichtet.

Die Europäische Physikalische Gesellschaft vergab 2019 den Preis für Hochenergie und Teilchenphysik der Europäischen Physikalischen Gesellschaft an die DØ- und CDF-Kooperationen “für die Entdeckung des Top-Quarks und die detaillierte Messung seiner Eigenschaften”.^[21]

Higgs Boson[edit]

In späteren Jahren war eines der wichtigsten physikalischen Ziele des DØ-Experiments die Suche nach dem Higgs-Boson, das vom Standardmodell vorhergesagt wurde, jedoch eine unbekannte Masse aufwies.^[22] Bevor sie im Jahr 2000 abgeschlossen wurden, hatten die LEP-Experimente am CERN die Existenz eines solchen Higgs-Bosons mit einer Masse von weniger als ausgeschlossen 114,4 GeV /c².^[23] 2010 erweiterten DØ und CDF die verbotene Region um ein Fenster 160 GeV /c².^[24]

Am 2. Juli 2012 kündigten die DØ- und CDF-Kollaborationen in Erwartung einer Ankündigung des CERN zur Entdeckung des Higgs-Bosons ihre Beweise (bei etwa drei Standardabweichungen) für den Zerfall von Higgs-Bosonen in die dominanten b-Quark-Endzustände an, was darauf hinwies, dass die Teilchen hatten eine Masse zwischen 115 und 135 GeV / c².^[25] Am 4. Juli 2012 kündigten die ATLAS- und CMS-Experimente des CERN die Entdeckung des Higgs-Bosons mit einer Masse von 125 GeV / c an².^[26]

Die am Tevatron entwickelten Techniken für die Higgs-Bosonensuche dienten als Sprungbrett für nachfolgende LHC-Analysen.^[27]

W- und Z-Bosonen[edit]

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 W-Boson-Masse mit einer relativen Genauigkeit von besser als 0,03% gemessen, wodurch viele potenzielle Modelle der neuen Physik ausgeschlossen wurden.^[28]

Die DØ- und CDF-Experimente wurden kombiniert, um die Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie beim Zerfall von Z-Bosonen zu messen (die Tendenz, dass positive Zerfallsleptonen häufiger näher an der Richtung des ankommenden Protons hervortreten als negative Zerfallsleptonen). Aus diesen Asymmetriemessungen wurde der schwache Mischwinkel, der das Aufbrechen der elektroschwachen Symmetrie in verschiedene elektromagnetische und schwache Kräfte bestimmt, mit einer Genauigkeit von besser als 0,15% gemessen. Dieses Ergebnis ist vergleichbar genau wie Elektronen-Positronen-Kollider-Experimente am CERN und SLAC und hilft, eine langjährige Spannung zwischen diesen Messungen aufzulösen.^[29]

Bottom- und Charm-Quarks[edit]

Obwohl die B-Factory-Experimente bei 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 mit großen Proben geleistet, die alle Hadronen mit schwerem Geschmack enthalten das kann durch ihren Zerfall zu Myonen gesehen werden.

Im Juli 2006 veröffentlichte die DØ-Kollaboration die ersten Beweise für die Transformation des B._s Meson (enthält einen Anti-B-Quark und einen seltsamen Quark) in sein Antiteilchen. Der Übergang erfolgt ungefähr 20 Billionen Mal pro Sekunde. Wenn es neue Partikel gegeben hätte, die über die im Standardmodell hinausgehen, wäre diese Rate geändert worden.^[30]

Am 14. Mai 2010 kündigte die DØ-Kollaboration eine Tendenz an, 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.^[31] Diese Tendenz könnte zusammen mit Messungen einzelner Myonenasymmetrien helfen, die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie zu erklären, die für die Dominanz der Materie im Universum verantwortlich ist.^[32] Experimentelle Ergebnisse von Physikern des Large Hadron Collider haben jedoch gezeigt, dass “der Unterschied zum Standardmodell unbedeutend ist”.^[33]

Am 12. Juni 2007 reichte die DØ-Zusammenarbeit ein Papier bei ein Briefe zur körperlichen Überprüfung Ankündigung der Entdeckung eines neuen Teilchens namens Ξ_b (ausgesprochen “zigh sub b”) mit einer Masse von 5.774±0,019 GeV /c²ungefähr das Sechsfache der Masse eines Protons. Das Ξ_b Baryon besteht aus einem Daunen-, einem seltsamen und einem Bodenquark und ist damit der erste beobachtete Baryon, der aus Quarks aller drei Generationen von Materie besteht.^[34]

Die ursprünglichen Quarkhypothesen von Murray Gell-Mann und George Zweig stellten fest, dass exotische Mesonen mit zwei Quarks und zwei Antiquarks (anstelle von nur einem Quark und einem Antiquark) möglich sind. Beispiele wurden schließlich 40 Jahre später 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 starkem Geschmack beigetragen.^[35]

Starke Kraft[edit]

Die Quantenchromodynamik (QCD) ist die Theorie der starken Wechselwirkung, bei der Quarks und Gluonen über eine Quanteneigenschaft interagieren, die der elektrischen Ladung für den Elektromagnetismus entspricht und als “Farbe” bezeichnet wird. QCD macht quantitative Vorhersagen für die Produktion von Jets (kollimierte Sprays von Partikeln, die aus gestreuten Quarks oder Gluonen entstanden sind), Photonen und W- oder Z-Bosonen. Ein bemerkenswertes Ergebnis von DØ im Jahr 2012 war die Messung von sehr energiereichen Jets, die bei großen Streuwinkeln erzeugt wurden. Dies tritt auf, wenn einzelne Quarks mehr als die Hälfte der Energie ihres Elternprotons oder Antiproton tragen, obwohl das Proton und das 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, die aus zwei unabhängigen Streuungen von Quarks und Gluonen innerhalb einer einzelnen Proton-Antiproton-Begegnung stammen, beobachtet wurden, zeigte das Muster dieser Raten, dass die räumliche Ausdehnung der Gluonen innerhalb des Protons kleiner ist als das für Quarks.^[36]

Detektor[edit]

Der DØ-Detektor bestand aus mehreren “Subdetektoren”, die in drei Schalen gruppiert waren, die den Kollisionspunkt umgaben. Die innerste Hülle war das zentrale Verfolgungssystem, das aus Verfolgungsdetektoren bestand, 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 maßen und “Strahlen” von Partikeln identifizierten, die aus gestreuten Quarks und Gluonen entstanden waren. Die dritte Hülle, das Myonensystem, hatte Verfolgungskammern und Szintillatorplatten vor und nach magnetisierten Magneten aus massivem Eisen, um Myonen zu identifizieren. Der gesamte Detektor war hinter einer Betonblockwand eingeschlossen, die als Strahlenschutz diente. Der Detektor maß ungefähr 10 m × 10 m × 20 m und wog ungefähr 5.500 Tonnen. Es wird im DØ-Versammlungsgebäude von Fermilab als Teil einer öffentlichen historischen Ausstellung aufbewahrt.^[37]

Zentrales Tracking-System[edit]

Das zentrale Verfolgungssystem hatte zwei Subdetektoren zum Messen der Spurpositionen geladener Teilchen und ein Magnetfeld, um zu bewirken, dass sich Spuren biegen, wodurch eine Messung ihrer Impulse ermöglicht wurde.

Der Silizium-Mikrostreifen-Tracker befand sich direkt außerhalb der Tevatron-Strahlrohre. Fünf mit den Strahlen konzentrische Fässer und 16 Scheiben mit senkrecht zu den Strahlen verlaufenden Streifen lieferten Präzisionsmessungen der geladenen Spurkoordinaten. Diese halfen, Teilchenimpulse zu bestimmen und jene Teilchen, die aus dem primären Kollisionspunkt hervorgegangen waren, von jenen zu unterscheiden, die vor dem Zerfall eine endliche Strecke zurückgelegt hatten, wie Tau-Leptonen und Hadronen, die Bodenquarks enthielten. Es bestand aus ungefähr 800.000 Siliziumstreifen mit einer Breite von 50 Mikrometern, die in der Lage waren, die Spurposition auf ungefähr 10 Mikrometer zu messen. Der Außenradius der Siliziumdetektoren war aufgrund ihrer hohen Kosten auf 10 cm begrenzt.^[38] Der Silizium-Mikrostreifen-Tracker wurde im Detektor für das 2001 begonnene Tevatron Run II-Kolliderprogramm installiert.^[39] Es war bis April 2002 voll funktionsfähig.^[40][41]

Außerhalb des Silizium-Trackers nahm der zylindrische Szintillationsfaser-Tracker den radialen Bereich zwischen 20 und 52 cm und 2,5 m entlang der Strahllinie ein. Die Partikel durchliefen acht Schichten von Szintillationsfasern mit einem Durchmesser von 835 Mikron. Diese Fasern erzeugten Photonen, wenn ein Teilchen durch sie hindurchging.^[42] Licht von jeder der mehr als 75.000 Fasern wurde an Festkörpersensoren übertragen, die elektronische Signale erzeugten, die digitalisiert und protokolliert wurden. Die räumliche Genauigkeit des Fasertrackers betrug etwa 100 Mikrometer.^[43]

Ein supraleitender Magnetmagnet befand sich direkt außerhalb des Fasertrackers und erzeugte ein 2 T-Magnetfeld im Volumen des Silizium- und Fasertrackers.^[44]

Kalorimeter[edit]

Das Kalorimetersystem bestand aus drei Probenahmekalorimetern (einem zylindrischen Zentralkalorimeter und zwei Endkalorimetern), einem Interkryostatdetektor und einem Vorduschdetektor.^[45] Die Aufgabe der Kalorimeter und der zugehörigen Subdetektoren war die Messung der Energien von Elektronen, Photonen sowie geladenen und neutralen Hadronen. Dies wurde erreicht, indem einfallende Partikel mehrere Schichten dichten inerten Materials durchlaufen ließen, in denen sie wechselwirkten und Sekundärpartikel erzeugten. Das Sammeln all dieser Sekundärteilchen wird als Dusche bezeichnet. Die Energie des Vorläuferteilchens wurde unter vielen Duschpartikeln mit viel geringerer Energie aufgeteilt, die schließlich aufhörten, und an diesem Punkt endete die Dusche. Zwischen den Schichten des inerten Materials befanden sich Detektoren, in denen die Ionisation der Teilchen gemessen wurde. Das über die Dusche summierte Gesamtionisationssignal ist proportional zur Energie des Vorläuferteilchens.^[46]

Eine zylindrische Schicht von Vorschaustreifen auf Szintillatorbasis wurde unmittelbar außerhalb des Solenoids platziert und mit Fasertrackersensoren ausgelesen. Ähnliche Vorschaudetektoren bedeckten die Enden des Verfolgungsbereichs. Das mit Bleiblättern angereicherte Material im Solenoid bewirkte, dass Primärelektronen und Photonen einen Schauer von Sekundärteilchen begannen. Der Preshow-Detektor war somit die erste Stufe der Kalorimetrie und ergab eine genaue Position des Partikelaufprallpunkts.

Ein zentrales Kalorimeter außerhalb und zwei Endkalorimeter, die den Magneten abdecken, enthielten separate Abschnitte zur Messung elektromagnetischer Partikel und Hadronen. Aufgrund der sehr hohen Dichte wurde Uran für die inerten Absorberplatten gewählt. Die aktiven Lücken enthielten flüssiges Argon mit einem starken elektrischen Feld, das angelegt wurde, um die Ionisierung von durchlaufenden Partikeln auf fein segmentierten Ebenen von Kupferelektroden zu sammeln. Diese Signale wurden in 50.000 Signale umgewandelt, die die Teilchenenergien sowie die Quer- und Längsduschformen maßen, um den Teilchentyp zu identifizieren. 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 Edelstahlgefäße, die benötigt wurden, um die Module bei flüssiger Argontemperatur (-190 ° C) aufzunehmen, waren relativ dick, so dass Szintillationsdetektoren zwischen Mittel- und Endkalorimeter eingesetzt wurden, um den Energieverlust in den Kryostatwänden zu korrigieren.

Eine Hauptaufgabe der Kalorimetrie ist die Identifizierung von Jets, wobei die Sprays von Partikeln, die als Quarks und Gluonen entstehen, aus ihrem Kollisionspunkt entweichen. Durch Jet-Identifizierung und Messung ihrer Richtungen und Energien können Analysen die Impulse der zugrunde liegenden Quarks und Gluonen bei der Primärkollision nachbilden.^[47]

Myon Detektor[edit]

Die äußerste Hülle des Detektors diente zur Myonendetektion. Hochenergetische Myonen sind ziemlich selten und daher ein verräterisches Zeichen für interessante Kollisionen. Im Gegensatz zu den meisten Partikeln wurden sie nicht in den Kalorimetern absorbiert, sodass Spuren, die über die Kalorimeter hinaus beobachtet wurden, höchstwahrscheinlich Myonen waren. Szintillatorflugzeuge lieferten eine schnelle Signatur, um interessante Ereignisse zu kennzeichnen. Eine Station mit Verfolgungskammern vor und zwei Stationen nach Magneten aus massivem Eisen zeichnen die Myonenspuren auf. Das Eisen des großen Zentralmagneten wurde aus einem NASA-Zyklotron gewonnen, das zur Simulation von Strahlenschäden im Weltraum gebaut wurde.^[48][49]

Trigger und DAQ[edit]

Im Detektor ereigneten sich pro Sekunde ungefähr 10 Millionen Proton-Antiproton-Kollisionen. 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.^[50][51] Das Triggersystem verwendete die elektronischen Signale, um interessierende Ereignisse zu identifizieren, beispielsweise solche, die Elektronen, Myonen, Photonen, Hochenergiestrahlen oder Teilchen enthielten, die sich vor dem Zerfall über eine gewisse Strecke bewegten. Der erste Triggerpegel verwendete die schnellen elektronischen Signale von jedem Subdetektor, um innerhalb weniger Mikrosekunden zu entscheiden, ob die Datenerfassung unterbrochen und die Signale digitalisiert werden sollen. Etwa 10.000 solcher Level 1-Trigger wurden akzeptiert. Ein zweiter Triggerpegel verfeinerte die Auswahl unter Verwendung der digitalisierten Signale von mehreren Subdetektoren in Kombination, um ein differenzierteres Ereignisprofil zu bilden, wodurch der Kandidatenereignispool 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 in großen Offline-Computerfarmen analysiert werden können. Der Betrieb des Triggersystems war ein empfindliches Gleichgewicht zwischen der Maximierung der Anzahl der gespeicherten Ereignisse und der Minimierung der Totzeit, die beim Sammeln dieser Ereignisse anfällt. Es musste robust und zuverlässig sein, da die Millionen von Ereignissen, die nicht vom Auslöser ausgewählt wurden, für immer verloren gingen.^[52]

Verweise[edit]

Externe Links[edit]