Klucz do narodzin czasu - Detektory - DELPHI

DELPHI

W 2000 roku w ramach eksperymentu DELPHI współpracowało około 550 fizyków z 56 uniwersytetów i instytutów z 22 krajów.

DELPHI to skrót angielskiej nazwy oznaczającej detektor do identyfikacji leptonów, fotonów i hadronów (DEtector for Lepton, Photon, and Hadron Identification), która daje niezłe pojęcie o zadaniach tego detektora. Leptony to wspólna nazwa elektronów, mionów, taonów i neutrin. Pochodzi od greckiego słowa znaczącego "mały, szczupły, lekki". Fotony są cząstkami przenoszącymi oddziaływania elektromagnetyczne, a hadrony to wszystkie cząstki oddziałujące silnie. Ich nazwa także pochodzi od greckiego słowa tym razem oznaczającego "gruby".

Detektor DELPHI miał około 10 metrów średnicy i 10 metrów długości, oraz ważył około 3500 ton. Zaprojektowanie i zbudowanie DELPHI trwało siedem lat, a detektor zbierał dane przez ponad dziesięć lat. DELPHI składał się z trzech części, z cylindrycznego bębna i dwóch tak zwanych nasadek końcowych zamykających końce cylindra. Każda z nasadek zamocowana była na szynach, aby dało się ją nasuwać i wysuwać do konserwacji.

Detektor DELPHI umieszczony był tak, że otaczał rurę akceleratora LEP, w której biegła wiązka, w jednym z punktów, gdzie zderzały się elektrony i pozytony. Zderzenia zachodziły w centrum bębna, i niezależnie od kierunku, w jakim pobiegły cząstki wtórne, musiały przejść albo przez bęben, albo przez nasadkę końcową. Każda z trzech sekcji detektora składała się z wielu różnych części, zwanych subdetektorami, których w sumie było 19.

Zadaniem całego układu DELPHI było:

uzyskanie dokładnego trójwymiarowego obrazu zdarzenia na podstawie śladów pozostawionych przez powstające cząstki,
pomiar energii cząstek za pomocą urządzeń zwanych kalorymetrami,
pomiar pędu naładowanych cząstek z wykorzystaniem pola magnetycznego
i wreszcie identyfikacja wytwarzanych cząstek na podstawie informacji pochodzących z kilku subdetektorów.

Identyfikacja cząstek to zadanie dla wszystkich współpracujących ze sobą subdetektorów, ponieważ każdy z nich przekazuje inne informacje odnośnie tożsamości przechodzących przez niego cząstek. Pędy naładowanych cząstek oblicza się na podstawie pomiaru zakrzywienia toru cząstek w polu magnetycznym, zarejestrowanego przez subdetektory śladowe. Kierunek zakrzywienia toru w stosunku do kierunku pola magnetycznego wskazuje ponadto czy cząstka jest naładowana dodatnio, czy ujemnie.

Schemat detektora DELPHI. Nazwy części detektora, których będziecie używać w zadaniach, podpisane są na niebiesko.

Na powyższym schemacie opisano wszystkie części składowe detektora DELPHI. Poniżej zostały omówione te subdetektory, których będziecie używać w zadaniach.

Badanie śladów cząstek w DELPHI odbywa się głównie w obrębie noszącej dziwaczną nazwę komory projekcji czasowej (TPC- skrót od angielskiej nazwy Time Projection Chamber), którą wspomaga bardzo precyzyjny detektor śladowy umieszczony w pobliżu punktu zderzenia, zwany detektorem werteksowym lub detektorem wierzchołka oddziaływania (VD - skrót od angielskiej nazwy Vertex Detector). W badaniu śladów uczestniczy także detektor wewnętrzny (ID - skrót od angielskiej nazwy Inner Detector), komory umieszczone w nasadkach końcowych zwane komorą przednią A i B (FCA, FCB - skróty od angielskich nazw Forward Chamber A i B) oraz układ mionowy (Muon system) (MUB, MUF, MUS).

TPC stanowi wypełniony gazem cylindryczny zbiornik, w którym cząstki naładowane jonizują gaz wzdłuż swoich trajektorii. Uwolnione elektrony przemieszczają się w polu elektrycznym w kierunku jednego z końców zbiornika, gdzie są wykrywane. Ścianka na końcu zbiornika podzielona jest w taki sposób, że można zrekonstruować dwuwymiarowy obraz jonizacji, odpowiadający śladom przechodzących cząstek. Dokładność tak uzyskanych dwóch współrzędnych wynosi około jednej czwartej milimetra. Trzecią współrzędną odtwarza się na podstawie pomiaru czasu przybycia produktów jonizacji do układu rejestrującego i rzutowania ich ruchu wstecz, aby obliczyć, gdzie musiała przejść cząstka jonizująca, stąd nazwa komora projekcji czasowej. Ponieważ szybkość unoszenia produktów jonizacji jest znana dokładnie, osiągana dokładność rekonstrukcji trzeciej współrzędnej wynosi nieco poniżej milimetra. W ten sposób w TPC można odtworzyć trójwymiarowy obraz zdarzenia.

Kalorymetrii, czyli pomiaru energii, dokonują w DELPHI dwa typy kalorymetrów, zwane elektromagnetycznymi i hadronowymi. Kalorymetry elektromagnetyczne mierzą energie cząstek oddziałujących elektromagnetycznie: elektronów, pozytonów i fotonów. Kalorymetry hadronowe mierzą energie cząstek oddziałujących przede wszystkim silnie. Są to cząstki zbudowane z kwarków, noszące wspólną nazwę hadronów.

Działanie obu typów kalorymetrów opiera się na tej samej podstawowej zasadzie: cząstki oddziałują z gęstym ośrodkiem i wytwarzają kaskady cząstek wtórnych. Ów gęsty ośrodek jest wystarczająco gęsty, aby zatrzymać nawet cząstki o najwyższych możliwych do osiągnięcia w LEP-ie energiach, z wyjątkiem mionów i neutrin, do których wrócimy później. W obu typach kalorymetrów gęsty ośrodek ułożony jest na przemian z ośrodkiem czynnym, gdzie kaskada cząstek pozostawia ułamek swojej energii. Mierząc całkowitą energię pozostawioną w ośrodku czynnym można obliczyć energię cząstki pierwotnej.

Ponieważ oddziaływanie elektromagnetyczne zdecydowanie różni się od oddziaływania silnego, najlepszy materiał na gęsty ośrodek jest w obu typach kalorymetrów zupełnie inny. Dobrym gęstym ośrodkiem do budowy kalorymetru elektromagnetycznego jest ołów. Może pochłonąć cząstki elektromagnetyczne w stosunkowo małej objętości, podczas gdy silnie oddziałujące cząstki przelatują przez niego na wylot do kalorymetru hadronowego. Na gęsty ośrodek do kalorymetru hadronowego w DELPHI wybrano żelazo.

Kalorymetry elektromagnetyczne w DELPHI noszą nazwy komory projekcji z ośrodkiem o wysokiej gęstości, w skrócie HPC (skrót od angielskiej nazwy High-density Projection Chamber), oraz przedniego kalorymetru elektromagnetycznego, w skrócie FEMC (skrót od angielskiej nazwy Forward ElectroMagnetic Calorimeter). Kalorymetr hadronowy nazywa się po prostu HAC (skrót od angielskiej nazwy HAdron Calorimeter).

Identyfikacji cząstek dokonuje się przez powiązanie informacji pochodzących z kilku subdetektorów. W procesie tym wykorzystuje się następujące informacje:

Foton: Gdy w kalorymetrze elektromagnetycznym widoczne są duże straty energii, natomiast nie ma żadnego śladu, który do nich prowadzi, wówczas wiemy, że energia musiała zostać oddana przez cząstkę elektrycznie obojętną. Ponieważ cząstka zatrzymuje się w kalorymetrze elektromagnetycznym, a nie przenika do kalorymetru hadronowego, możemy wywnioskować, że jest to foton.
Elektron lub pozyton: Jeśli w kalorymetrze elektromagnetycznym widoczne są bardzo duże straty energii, a w detektorach śladowych istnieje prowadzący do nich ślad, wiemy, że cząstka była naładowana. Ponieważ zatrzymuje się w kalorymetrze elektromagnetycznym, tym razem możemy wywnioskować, że jest to elektron lub pozyton. Z którą z tych cząstek mamy do czynienia ustalamy na podstawie kierunku zakrzywienia śladu w polu magnetycznym.
Hadron (cząstka zawierająca kwarki): Jeśli w kalorymetrze hadronowym widoczne są wielkie straty energii, wiemy, że był to hadron, a zatem zderzenie przebiegało z produkcją kwarków. Podobnie jak wcześniej, kwestię ładunku można rozstrzygnąć obserwując zakrzywienie śladu pozostawionego w detektorach śladowych. Hadrony czasami oddają energię w kalorymetrze elektromagnetycznym, więc oba kalorymetry będą rejestrować straty energii.
Mion: Miony słabo oddziałują z materią. Z łatwością mogą przenikać przez gęste materiały kalorymetrów. Jeśli w układzie detektorów śladowych widoczny jest ślad i detektor mionowy sygnalizuje przejście cząstki, wówczas musi to być mion. Miony nie tracą dużo energii w kalorymetrach, jeśli zatem w tych urządzeniach wzdłuż ich torów obserwuje się straty energii, są one niewielkie.
Neutrino: Neutrina nadzwyczaj słabo oddziałują z materią. Mogą przejść przez całą ziemię bez oddziaływania, co sprawia, że są bardzo trudne do wykrycia. Kiedy jednak wytwarzane są z innymi, wykrywalnymi cząstkami, DELPHI nie jest na nie całkowicie ślepy. Aby się dowiedzieć, czy przez DELPHI przeszło neutrino, stosujemy zasadę zachowania energii. Jeśli całkowita energia cząstek po zderzeniu jest mniejsza niż całkowita energia zderzającego się elektronu i pozytonu, wówczas jakieś cząstki musiały uciec nie zarejestrowane. Z bardzo dużym prawdopodobieństwem były to neutrina.

Schematyczne ślady pozostawione przez różne typy cząstek w rozmaitych warstwach detektora.

Cząstki o krótkim czasie życia: Szczególne przypadki stanowią cząstki o krótkim czasie życia. Jeśli macie zamiar wykonać zadanie "Stosunki rozgałęzień dla cząstki Z", natkniecie się na taony. Są to krótkożyciowe cząstki, które szybko rozpadają się na inne cząstki. Zdarzenia typu taon-antytaon można zidentyfikować, ponieważ w tym przypadku na ogół obserwuje się kilka cząstek wybiegających z wierzchołka oddziaływania w przeciwnych kierunkach.
Cząstki o bardzo krótkim czasie życia: Niektóre cząstki nie żyją nawet wystarczająco długo, aby dotrzeć do detektora położonego najbliżej miejsca zderzenia. Kiedy się rozpadają, wydaje się jednak, że cząstki wtórne wybiegają z miejsca nieco oddalonego od punktu zderzenia. Detektor wierzchołka oddziaływania, który bardzo dokładnie rejestruje ślady cząstek, pozwala zmierzyć odległość pomiędzy punktem zderzenia a punktem rozpadu bardzo krótkożyciowej cząstki.

Detektor wierzchołka oddziaływania w DELPHI pozwala precyzyjnie określić punkt rozpadu bardzo krótkożyciowej cząstki, umożliwiając w ten sposób oszacowanie jej czasu życia.