Varianta Z

• Boson Z
• Higgsův boson
• Rozpoznávání částic
• Rozpoznávání událostí
  • Když se protony srazí
  • Události s bosonem Z
  • Události s Higgsovým bosonem
  • Události tvořící pozadí
  • Zobrazování
  • Procvičte si to
• Hledejte a objevujte pomocí hmotnosti
• Dejte se do práce!

Zásobárna vědomostí

• Standardní model
• Výzkum na LHC
• Více o bosonu Z
• Jednotky energie
• Hybnost
• Vektory
• Histogramy
• Radioaktivita a boson W
• Feynmanovy diagramy

Jak HYPATIA zobrazuje události

Podívejme se nyní, jak vypadají různé typy událostí, o nichž jsme mluvili, zobrazené programem HYPATIA. Budou se vám hodit všechny nově nabyté znalosti o určování typů událostí i identifikaci elementárních částic. Naučíte se vybírat události představující signál a odlišit je od událostí pozadí.

Páry lepton-antilepton a čtyřleptonové události (s elektrony nebo miony) je v podstatě snadné rozpoznat. U událostí s dvojicí fotonů je to někdy složitější, zejména pokud k energetickému klastru zaznamenanému v elektromagnetickém kalorimetru (ECAL) směřují i dráhy nabitých částic.

Následující galerie obrázků vám ukáže, jak se s tím vypořádat.

procesy představující signál

• 
• V obou pohledech vidíme několik stop uvnitř dráhového detektoru a jistou aktivitu (žluté obdélníčky) v první vrstvě kalorimetrů (na obrázcích vybarvené zeleně). To je jasné znamení, že jde o elektrony.
• Na prvním obrázku z bočního pohledu je vidět spousta stop částic. Abychom na zobrazení viděli pouze částice s velkou příčnou hybností, můžeme definovat tzv. "řez" (cut) pro tuto veličinu. Pak uvidíme pouze částice s větší než minimální hodnotou příčné hybnosti. Konkrétní minimální hodnotu musíme zvolit. V našem případě je vhodná velikost 25 GeV. Tím vybereme pro zobrazení pouze částice s příčnou hybností větší než 25 GeV. Jak to vypadá po uplatnění řezu je ukázáno na dalším obrázku.
• Pokud zvětšíme koncový pohled, všechno nasvědčuje tomu, že zde máme pár elektron-pozitron (všimněte si rozdílných nábojů) a částice jdou proti sobě. Chybějící příčná hybnost je nulová, takže nevzniklo žádné neutrino. Toto je typická událost Z→e^- + e⁺ event.

• 
• V koncovém i bočním pohledu je vidět více různých stop částic. To je pro události zaznamenané detektorem ATLAS typické. Všimněte si, že není žádná chybějící příčná hybnost, takže nevzniklo ani jedno neutrino. V bočním pohledu jasně vidíme dva miony. Koncový pohled ukazuje, že tyto dva miony vylétají v navzájem opačných směrech.
• Jak vidíte na tomto zvětšeném pohledu ve směru pohybu protonu, dva miony jdou proti sobě. Obě částice mohly vzniknout z jediné částice, která se po svém vzniku rozpadla.
• Na tomto zvětšeném obrázku jasně vidíme stopy dvou mionů. Dále vidíme, že jeden z nich má kladný náboj, druhý záporný. To znamená, že jsme zaznamenali pár mion-antimion. To je jasná známka toho, že v události vznikl boson Z.

• 
• Na zobrazení zepředu i z boku vidíme několik drah v dráhovém detektoru a záznamy o uložené energii (klastry - žlutě) v elektromagnetickém kalorimetru (zeleně vybarvená část detektoru). Dvě "věže" na diagram vpravo (tzv. lego plot) odpovídají dvojici důležitých klastrů v kalorimetru. K těmto klastrům nesměřují žádné dráhy nabitých částic, takže nejde o elektrony, nýbrž o fotony - jak se dále přesvědčíme s pomocí následujícího obrázku.
• Po změně minimální hodnoty příčné hybnosti (panel Control Window) z 1 GeV na 5 GeV (Cuts - pT) všechny dráhy zmizí. V panelu Track Momenta Window přepneme z "Tracks" na "Physics Objects". V našem případě jsou fyzikálními objekty (v kalorimetru) fotony, protože k nim nemíří žádné dráhy nabitých částic. Při volbě zobrazení "Physics Objects" se na obrázcích objeví další grafické prvky směřující ke klastrům v kalorimetrech (pokud tam nějaké klastry jsou). Výsledný obrázek jasně ukazuje, že jde o událost se dvěma fotony.
• Oba fotony nyní lze vložit do okna invariantních hmotností kliknutím na tlačítko "Photon" v panelu Track Momenta Window. Tento pár fotonů má invariantní hmotnost 110,1 GeV.

• 
• Na obrázku této události vidíme dva klastry v elektromagnetickém kalorimetru (žlutě), jimž odpovídají dvě věže v grafu lego plot vpravo.
• Po nastavení ohraničení 5 GeV na Pt stále vidíme dva klastry v kalorimetru; k jednomu nesměřuje žádná dráha, k jednomu dvě dráhy blízko sebe (viz zvětšený obrázek nahoře). Dvojitá dráha směřující ke klastru v kalorimetru (čísla 45, 46 v tabulce Physics Objects nahoře) má invariantní hmotnost M(e+e-) =0.2 GeV, což odpovídá konvertovanému fotonu. Tento pár drah ze zobrazení zmizí, pokud nastavíme požadavek alespo? 3 zásahů pixelů (dolní obrázek - nastavení v záložce "Cuts" v HYPATIA - Control Window).
• Pár e+e- směřující k jednomu z klastrů zmizel po aktivaci požadavku alespo? 3 zásahů pixelů (viz obrázek). Jak je to s druhým elektronovým párem? Neodpovídá mu žádná energie odevzdaná v kalorimetru a obě dráhy mají stejný náboj. Jde tedy nejspíš o náhodnou konstalaci a netřeba ji brát v úvahu. Při zvětšení dolní hranice na Pt na 10 GeV tyto dráhy dokonce také zmizí. Objekty zaznamenané kalorimetrem mají invariantní hmotnost M(γγ)=100.1GeV.

• 
• U této události vidíme velké množství drah. Dvě z nich, se zásahy v mionových komorách, jasně odpovídají mionům (dívejte se na zobrazení zepředu i zboku). Jsou zde i 2 klastry energie v elektromagnetickém kalorimetru (2 věže v lego plotu), k nimž patrně směřují dráhy. Chce to však podrobnější analýzu.
• Po zvýšení dolní hranice na Pt na 12 GeV (Control Window) zbydou v obrázku jen 4 dráhy - 2 miony opačných nábojů a 2 elektrony opačných nábojů. Každý z párů vznikl rozpadem Z (M(ee)=89.6 GeV a M(μμ)=91.1 GeV). Jde tedy o událost se ZZ rozpadajícími se na 4 leptony. Invariantní hmotnost čtveřice leptonů je v tomto případě M(4l)=291 GeV.

• 
• V této události zbydou po ohraničení Pt zdola hodnotou 5 GeV čtyři dráhy, z nichž každá směřuje ke klastru v kalorimetru. Každý z párů vznikl rozpadem Z (M(ee)=89.9 GeV and M(ee)=87.6 GeV). Jde tedy o událost se ZZ rozpadajícími se na 4 elektrony. Invariantní hmotnost čtveřice elektronů je M(4l)=229.7 GeV.

procesy pozadí

• 
• Tato událost se odlišuje od toho, co požadujeme od signálu, ve dvou ohledech: 1. jsou zde celé "balíky" částic a 2. velikost chybějící příčné hybnosti je příliš malá na to, aby zde mohlo být neutrino (nebo neutrina).
• V obou pohledech je při zvětšení a použití režimu rybí oko balík částic zcela jasně patrný.
• Na tomto obrázku je zvětšený boční pohled na jinou událost. Jsou na něm vidět dva srážkové body asi 60 centimetrů od sebe. Body jsou zvýrazněny červenými kroužky. Na tomto příkladu vidíte, jak komplikovaná může identifikace události být.

• 
• V této události je hodnota chybějící příčné hybnosti 38 GeV. To znamená, že patrně vzniklo neutrino. V bočním i koncovém pohledu vidíme také stopu částice.
• V koncovém pohledu je jasně vidět mion (či antimion). Jeho stopa v dráhovém detektoru směřuje opačným směrem než červená čárkovaná čára (znázorňující chybějící příčnou hybnost v události). To silně nasvědčuje skutečnosti, že jde o rozpad W na mion (jenž letěl v tomto zobrazení nalevo) a neutrino (napravo).

• 
• V koncovém pohledu je vidět elektron s velkou příčnou hybností a neutrino (protože chybějící příčná hybnost je 39 GeV) v protilehlém směru. I v bočním pohledu je patrný izolovaný elektron.
• Informace získaná kliknutím na stopu leptonu prozrazuje, že jde skutečně o elektron (a nikoli pozitron - viz záporné znaménko před hodnotou příčné hybnosti).