DØ experimento - DØ experiment
O experimento DØ (às vezes escrito experimento D0 , ou experimento DZero ) foi uma colaboração mundial de cientistas conduzindo pesquisas sobre a natureza fundamental da matéria . DØ foi um dos dois experimentos principais (o outro foi o experimento CDF ) localizado no Colisor Tevatron no Fermilab em Batavia, Illinois . O Tevatron foi o acelerador de maior energia do mundo de 1983 até 2009, quando sua energia foi superada pelo Grande Colisor de Hádrons . O experimento DØ parou de coletar dados em 2011, quando o Tevatron foi desligado, mas a análise dos dados ainda está em andamento. O detector DØ está preservado no Edifício DØ Assembly do Fermilab como parte de uma exposição histórica para passeios públicos.
A pesquisa DØ está focada em estudos precisos de interações de prótons e antiprótons nas energias mais altas disponíveis. Essas colisões resultam em "eventos" contendo muitas novas partículas criadas por meio da transformação de energia em massa de acordo com a relação E = mc 2 . A pesquisa envolve uma busca intensa por pistas subatômicas que revelam o caráter dos blocos de construção do universo.
Visão geral
Em 1981, o diretor do Fermilab, Leon M. Lederman, pediu propostas preliminares para um "detector modesto construído por um grupo de tamanho modesto" que seria localizado na região de interação 'DØ' no anel Tevatron e complementaria o Detector Colisor planejado no Fermilab . Mais de quinze grupos apresentaram propostas. Três dessas propostas foram combinadas em um esforço sob a liderança de Paul Grannis , que começou oficialmente em 1 de julho de 1983. O grupo produziu um relatório de projeto em novembro de 1984. O detector foi concluído em 1991, foi colocado no Tevatron em fevereiro 1992, e observou sua primeira colisão em maio de 1992. Registrou dados de 1992 até 1996, quando foi fechado para grandes atualizações. Sua segunda execução começou em 2001 e durou até setembro de 2011. Em 2019, a análise de dados ainda está em andamento.
O experimento DØ é uma colaboração internacional que, em seu auge, incluiu cerca de 650 físicos de 88 universidades e laboratórios nacionais de 21 países. Ele estudou as colisões entre os prótons e antiprótons que circulam no Tevatron para testar muitos aspectos do Modelo Padrão da física de partículas .
O detector DØ consistia em vários grupos de subdetectores aninhados em torno da região onde os prótons e antiprótons do feixe colidiram. Os subdetectores forneceram mais de um milhão de canais de eletrônicos que foram coletados, digitalizados e registrados para análises off-line. Cerca de 10 milhões de colisões de feixes de prótons e antiprótons foram inspecionados a cada segundo, e até 500 colisões por segundo foram registradas para estudos posteriores.
Pesquisa física
DØ conduziu seus estudos científicos em seis grupos de física: Higgs, Top, Eletrofraca, Novos Fenômenos, QCD e Física B. Avanços significativos foram feitos em cada um deles.
Quark superior
Um dos primeiros objetivos do experimento DØ era descobrir o quark top, o último dos seis constituintes da matéria previstos pelo Modelo Padrão da física de partículas. Os experimentos DØ e CDF coletaram dados para a pesquisa, mas usaram diferentes técnicas de observação e análise que permitiram a confirmação independente das descobertas um do outro.
Em 24 de fevereiro de 1995, DØ e CDF submeteram trabalhos de pesquisa à Physical Review Letters descrevendo a observação de pares de quarks top e antitop produzidos por meio da interação forte. Em 2 de março de 1995, as duas colaborações relataram em conjunto a descoberta do quark top em uma massa de cerca de175 GeV / c 2 (quase o de um núcleo de ouro).
Em 4 de março de 2009, as colaborações DØ e CDF anunciaram a descoberta da produção de quarks top únicos por meio da interação fraca. Este processo ocorre em cerca de metade da taxa de produção de pares de quarks top, mas é muito mais difícil de observar, pois é mais difícil distinguir de processos de fundo que podem criar sinais falsos. Os estudos de quark top único foram usados para medir a vida útil do quark top de cerca de 5 × 10 −25 segundos, medir o último elemento desconhecido da matriz CKM da mistura intergeracional de quark e para pesquisar novas físicas além do modelo padrão.
Medições de precisão das propriedades do quark top, como massa, carga, modos de decaimento, características de produção e polarização, foram relatadas em mais de cem publicações.
A European Physical Society concedeu o Prêmio de Alta Energia e Física de Partículas da European Physical Society 2019 às colaborações DØ e CDF "pela descoberta do quark top e pela medição detalhada de suas propriedades".
Bóson de Higgs
Nos anos posteriores, um dos principais objetivos físicos do experimento DØ foi a busca pelo bóson de Higgs , que foi previsto para existir pelo Modelo Padrão , mas com uma massa desconhecida. Antes de serem concluídos em 2000, os experimentos LEP no CERN haviam descartado a existência de um bóson de Higgs com uma massa menor que114,4 GeV / c 2 . Em 2010, DØ e CDF estenderam a região proibida para incluir uma janela ao redor160 GeV / c 2 .
Em 2 de julho de 2012, antecipando um anúncio do CERN da descoberta do bóson de Higgs, as colaborações DØ e CDF anunciaram suas evidências (em cerca de três desvios-padrão) de bósons de Higgs decaindo nos estados finais dominantes do quark b, o que indicava que o partícula tinha uma massa entre 115 e 135 GeV / c 2 . Em 4 de julho de 2012, os experimentos ATLAS e CMS do CERN anunciaram a descoberta do bóson de Higgs com uma massa de 125 GeV / c 2 .
As técnicas desenvolvidas no Tevatron para as pesquisas do bóson de Higgs serviram como um trampolim para as análises subsequentes do LHC.
Bósons W e Z
As propriedades dos bósons W e Z que transmitem a força nuclear fraca são indicadores sensíveis da consistência interna do Modelo Padrão. Em 2012, DØ mediu a massa do bóson W com uma precisão relativa superior a 0,03%, descartando muitos modelos potenciais de nova física.
Os experimentos DØ e CDF combinados para medir a assimetria para frente e para trás nos decaimentos dos bósons Z (a tendência dos léptons de decaimento positivo de emergir mais perto da direção do próton de entrada com mais freqüência do que os léptons de decaimento negativo). A partir dessas medições de assimetria, o ângulo de mistura fraco governando a quebra da simetria eletrofraca em forças eletromagnéticas e fracas distintas foi medido com uma precisão melhor que 0,15%. Este resultado tem precisão comparável aos experimentos do colisor de pósitrons de elétrons no CERN e no SLAC e ajuda a resolver uma tensão de longa data entre essas medições.
Quarks de fundo e charme
Embora os experimentos da fábrica B em KEK , SLAC e IHEP em Pequim e o experimento LHCb no CERN tenham dominado muitos aspectos do estudo de hádrons contendo quarks b ou c, DØ fez contribuições notáveis usando grandes amostras contendo todos os hádrons de sabor pesado isso pode ser visto por meio de seus decaimentos em múons.
Em julho de 2006, a colaboração DØ publicou a primeira evidência da transformação do meson B s (contendo um quark anti-b e um quark estranho) em sua antipartícula. A transição ocorre cerca de 20 trilhões de vezes por segundo. Se houvesse novas partículas além das do Modelo Padrão, essa taxa teria sido modificada.
Em 14 de maio de 2010, a colaboração DØ anunciou uma tendência para quarks be anti-b produzidos em colisões próton-antipróton de levar a um par de múons carregados positivamente com mais frequência do que um par carregado negativamente. Essa tendência, junto com as medições das assimetrias de um único múon, poderia ajudar a explicar a assimetria matéria-antimatéria responsável pelo domínio da matéria no universo. Resultados experimentais de físicos do Large Hadron Collider , no entanto, sugeriram que "a diferença do modelo padrão é insignificante."
Em 12 de junho de 2007, a colaboração DØ submeteu um artigo à Physical Review Letters anunciando a descoberta de uma nova partícula chamada Ξ b (pronuncia-se "zigh sub b") com uma massa de5,774 ± 0,019 GeV / c 2 , aproximadamente seis vezes a massa de um próton. O bárion Ξ b é feito de um quark down , um estranho e um quark bottom , tornando-o o primeiro bárion observado formado de quarks de todas as três gerações da matéria.
As hipóteses de quark originais de Murray Gell-Mann e George Zweig observaram que mésons exóticos contendo dois quarks e dois antiquarks (em vez de apenas um quark e antiquark) são possíveis. Os exemplos foram finalmente observados 40 anos depois, nos casos em que o méson exótico contém os quarks pesados b e c mais característicos. DØ contribuiu com uma nova compreensão desses estados exóticos de sabor pesado.
Força forte
A cromodinâmica quântica (QCD) é a teoria da interação forte, na qual quarks e glúons interagem por meio de uma propriedade quântica, análoga à carga elétrica do eletromagnetismo, chamada de "cor". QCD faz previsões quantitativas para a produção de jatos (sprays colimados de partículas evoluídas de quarks ou glúons dispersos), fótons e bósons W ou Z. Um resultado notável em 2012 do DØ foi a medição de jatos de energia muito alta produzidos em grandes ângulos de espalhamento. Isso ocorre quando quarks únicos carregam mais da metade da energia de seu próton ou antipróton original, apesar do fato de o próton e o antipróton serem tipicamente construídos a partir de dezenas de quarks e glúons. A medição estava em excelente acordo com a previsão. Em uma série de publicações em que dois pares de jatos ou fótons provenientes de duas dispersões independentes de quarks e glúons dentro de um único encontro próton-antipróton foram observados, o padrão dessas taxas indicou que a extensão espacial dos glúons dentro do próton é menor que isso para quarks.
Detector
O detector DØ consistia em vários "sub-detectores", agrupados em três projéteis em torno do ponto de colisão. O invólucro mais interno era o Sistema de Rastreamento Central, consistindo em detectores de rastreamento encerrados em um ímã supercondutor. Eles eram circundados por uma segunda camada consistindo de calorímetros que mediam a energia de elétrons, fótons e hádrons e identificavam "jatos" de partículas originadas de quarks e glúons dispersos. A terceira camada, o sistema de múons, tinha câmaras de rastreamento e painéis cintiladores antes e depois de ímãs de ferro sólido magnetizados para identificar múons. Todo o detector foi fechado atrás de uma parede de blocos de concreto que agia como escudos de radiação. O detector media cerca de 10m × 10m × 20m e pesava cerca de 5.500 toneladas. Ele é preservado no Edifício DØ Assembly do Fermilab como parte de uma exposição histórica pública.
Sistema de rastreamento central
O sistema de rastreamento central tinha dois subdetetores para medir as posições das trilhas de partículas carregadas e um campo magnético para fazer com que as trilhas se curvassem, permitindo assim a medição de seus momentos.
O rastreador de microtira de silício estava localizado fora dos tubos de feixe de Tevatron. Cinco barris concêntricos com os feixes e 16 discos com tiras perpendiculares aos feixes forneceram medições precisas de coordenadas de trilhos carregadas. Isso ajudou a determinar os momentos das partículas e a distinguir as partículas que emergiram do ponto de colisão primário daquelas que viajaram por uma distância finita antes de decair, como leptões tau e hádrons contendo quarks bottom. Consistia em cerca de 800.000 tiras de silício de 50 mícrons de largura, capazes de medir a localização da trilha em cerca de 10 mícrons. O raio externo dos detectores de silício foi limitado a 10 cm devido ao seu alto custo. O rastreador de microtira de silício foi instalado no detector para o programa do colisor Tevatron Run II, que começou em 2001. Estava totalmente funcional em abril de 2002.
Fora do rastreador de silício, o rastreador de fibra cintilante cilíndrica ocupou a região radial entre 20 e 52 cm e 2,5 m ao longo da linha de feixe. As partículas atravessaram oito camadas de fibras cintilantes de 835 mícrons de diâmetro. Essas fibras produziram fótons quando uma partícula passou por elas. A luz de cada uma das mais de 75.000 fibras foi transmitida para sensores de estado sólido que criaram sinais eletrônicos que foram digitalizados e registrados. A precisão espacial do rastreador de fibra era de cerca de 100 mícrons.
Um ímã solenóide supercondutor foi localizado do lado de fora do rastreador de fibra e criou um campo magnético de 2 T no volume do rastreador de silício e fibra.
Calorímetro
O sistema de calorímetro consistia em três calorímetros de amostragem (um Calorímetro Central cilíndrico e dois Calorímetros Finais), um detector intercriostático e um detector de pré-banho. O trabalho dos calorímetros e subdetectores associados era a medição de energias de elétrons, fótons e hádrons carregados e neutros. Isso foi conseguido permitindo que as partículas incidentes atravessassem várias camadas de material inerte denso no qual interagiram e criaram partículas secundárias. A coleção de todas essas partículas secundárias é chamada de chuveiro. A energia da partícula progenitora foi compartilhada entre muitas partículas de chuveiro de energia muito mais baixa que finalmente pararam, ponto no qual o chuveiro acabou. Entre as camadas do material inerte havia detectores nos quais a ionização das partículas era medida. O sinal de ionização total somado ao longo do chuveiro é proporcional à energia da partícula progenitora.
Uma camada cilíndrica de tiras de pré-banho à base de cintilador foi colocada imediatamente fora do solenóide e lida com sensores de fibra rastreadores. Detectores de pré-chuva semelhantes taparam as extremidades da região de rastreamento. O material no solenóide aumentado com folhas de chumbo fez com que elétrons e fótons primários começassem uma chuva de partículas secundárias. O detector pré-chuveiro era, portanto, o primeiro estágio da calorimetria e dava uma localização precisa do ponto de impacto da partícula.
Um calorímetro central externo e dois calorímetros finais cobrindo o solenóide continham seções separadas para medir partículas eletromagnéticas e hádrons. O urânio foi escolhido para as placas absorventes inertes devido à sua densidade muito alta. As lacunas ativas continham argônio líquido com um forte campo elétrico aplicado para coletar a ionização de partículas transversais em planos finamente segmentados de eletrodos de cobre. Esses sinais foram agrupados em 50.000 sinais que mediram as energias das partículas e as formas transversais e longitudinais do chuveiro que ajudaram a identificar o tipo de partícula. Cada calorímetro continha cerca de sessenta módulos de urânio-argônio líquido com um peso total de 240 a 300 toneladas métricas. A espessura total de um calorímetro era de cerca de 175 cm para absorver totalmente as chuvas das partículas mais energéticas de uma colisão. Os vasos de aço inoxidável necessários para conter os módulos na temperatura do argônio líquido (-190 C) eram relativamente grossos, então detectores de cintilação foram inseridos entre os calorímetros centrais e finais para corrigir a perda de energia nas paredes do criostato.
Uma tarefa primária para a calorimetria é a identificação de jatos, os borrifos de partículas criadas quando quarks e glúons escapam de seu ponto de colisão. A identificação do jato e a medição de suas direções e energias permitem análises para recriar os momentos dos quarks e glúons subjacentes na colisão primária.
Detector de Muons
A camada mais externa do detector era para detecção de múons . Muons de alta energia são bastante raros e, portanto, um sinal revelador de colisões interessantes. Ao contrário da maioria das partículas, eles não foram absorvidos nos calorímetros, então os rastros observados além dos calorímetros eram provavelmente múons. Os aviões cintiladores forneciam uma assinatura rápida usada para sinalizar eventos interessantes. Uma estação de câmaras de rastreamento antes e duas estações depois de ímãs de ferro sólido registram as trilhas de múon. O ferro do grande ímã central foi recuperado de um ciclotron da NASA construído para simular danos de radiação no espaço.
Trigger e DAQ
Aproximadamente 10 milhões de colisões próton-antipróton aconteceram a cada segundo no detector. Como isso excedeu em muito os recursos de computação, apenas uma fração desses eventos pode ser armazenada em fita por segundo. Portanto, um sistema complexo de aquisição de dados (DAQ) foi implementado para determinar quais eventos eram "interessantes" o suficiente para serem gravados em fita e quais poderiam ser descartados. O sistema de gatilho usava os sinais eletrônicos para identificar eventos de interesse, como aqueles contendo elétrons, múons, fótons, jatos de alta energia ou partículas que viajaram alguma distância antes de decair. O primeiro nível de disparo usou os sinais eletrônicos rápidos de cada subdetector para decidir em alguns microssegundos se deveria pausar a obtenção de dados e digitalizar os sinais. Cerca de 10.000 desses gatilhos de Nível 1 foram aceitos. Um segundo nível de disparo refinou a seleção usando os sinais digitalizados de vários subdetectores em combinação para formar um perfil de evento mais nuançado, reduzindo o pool de eventos candidatos a 1000 eventos por segundo. No terceiro nível, um conjunto de computadores analisava as informações digitais em uma versão reduzida do código de computador off-line completo para produzir até 100 eventos por segundo a serem registrados permanentemente e, subsequentemente, analisados em grandes fazendas de computadores off-line. A operação do sistema de gatilho era um equilíbrio delicado entre maximizar o número de eventos salvos e minimizar o tempo morto incorrido durante a coleta. Ele tinha que ser robusto e confiável, pois os milhões de eventos não selecionados pelo gatilho foram perdidos para sempre.
