Varianta Z

• Boson Z
• Higgsův boson
• Rozpoznávání částic
  • Detektor ATLAS
  • Pojďte si hrát
  • Zobrazovací program HYPATIA
  • Jak se zobrazují stopy částic
  • Procvičte si to
• Rozpoznávání událostí
• 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

Zobrazovací program HYPATIA

Stopy částic (elektronické signály) zaznamenané v detektorech lze zviditelnit pomocí tzv. zobrazovacích programů. Ty poskytují dynamický obraz toho, jak částice putovaly detektorem. My budeme používat k zobrazení událostí program zvaný HYPATIA. V této kapitole se naučíte, které z jeho možností a funkcí vám pomohou při měření.

Začneme tím, že program HYPATIA spustíme. (Download)

K seznámení s funkcemi programu HYPATIA využijte následující galerii obrázků událostí (kopií obrazovky počítače). Zároveň je dobré věci “osahat” přímo ve vlastním běžícím programu.

• Na tomto obrázku je sestava, jaká se objeví po spuštění programu HYPATIA. Jsou zde čtyři okna: "Invariant Mass Window" (zde orámováno červeně), "Canvas Window" (modrý rámeček), "Track Momentum Window" (žlutý) a "Control Window" (zelený). V "Invariant Mass Window" se objeví invariantní hmotnosti stop, které vyberete, v okénku "Canvas Window" jsou vizualizace detektoru a událostí (stopy částic v detektoru) z různých pohledů, v "Track Momentum Window" se objevují všechny informace o stopách v detektoru a konečně s pomocí "Control Window" lze měnit nastavení programu a vlastnosti zobrazení.
• Tento obrázek ukazuje "Canvas Window". V něm se událost zobrazuje. Nejde o trojrozměrný obraz, ale o dvě různé dvojrozměrné projekce. Nahoře vidíme pohled na detektor ve směru osy svazku protonů - tzv. koncový nebo průřezový pohled, zatímco dole je pohled ze strany čili boční pohled. Každá z událostí má své označení, které je uvedeno úplně nahoře.
• Různé vrstvy detektoru jsou v koncovém i bočním pohledu zobrazeny různými barvami. Vnitřní detektor je šedý, elektromagnetický kalorimetr zelený, hadronový kalorimetr červený a mionové komory modré.
• Dráhy elektricky nabitých částic jsou programem zobrazovány jako barevné čáry. Byly zrekonstruovány ze záznamu z detektoru po srážce. Barva každé ze zobrazených stop je určena velikostí důležité fyzikální veličiny - příčné hybnosti (tj. složky hybnosti částice kolmé na osu svazkové trubice). Na zvětšeném zobrazení dole jsou vidět dvě stopy částic, jedna červená (s velkou příčnou hybností) a jedna modrá (s malou příčnou hybností).
• Spojit záznam o uložené energii v kalorimetrech s jednotlivými stopami ve vnitřním detektoru není vždycky snadné. U této události je zřejmé, že plynulé spojení záznamu z dráhového detektoru a z kalorimetru neexistuje. Energie uložená v kalorimetrech (elektromagnetickém i hadronovém) je programem zobrazena jako žluté obdélníčky v příslušných místech.
• Miony jsou (kromě neutrin, která jsou pro detektor úplně neviditelná) jediným typem částic, které se dostanou z oblasti srážek až do vnějších oblastí detektoru. K jejich detekci slouží mionové komory (zobrazené modře). Komory, které zasáhl mion, program označí oranžovou barvou. K tomu dvě poznámky: 1. Při různých projekcích detektoru se to projevuje různě. V koncovém pohledu jsou oranžové celé jednotlivé segmenty mionového detektoru, zatímco na bočním pohledu vidíme téměř výlučně jenom oranžové tečky. 2. Některé ze zásahů ve vnějších mionových komorách mohou pocházet od jiných částic než těch vznikajících při "správných" srážkách protonů s protony. Většina "falešných" částic vzniká při srážkách částic ze svazku mimo detektor a není třeba je brát v úvahu. Miony ze srážek uprostřed detektoru ve většině případů zasáhnou VŠECHNY vrstvy mionových detektorů.
• Okno hybností drah ("Track Momenta Window") se používá mimo jiné při načítání datových souborů do programu (File>Read Event Locally, viz zelený rámeček). Soubor k načtení sestává z dílčích souborů, z nichž každý obsahuje jednu událost. Pomocí šipek Previous a Next (hnědá elipsa) lze přecházet k dalším nebo předchozím jednotlivým událostem. V tomto okénku je také nástroj pro umístění vybrané stopy do tabulky invariantních hmotností (Invariant Mass Table - viz modrou elipsu). Hodnota chybějící energie je uvedena v horní části okénka (ve žluté elipse).
• "Control Window" je hlavní ovládací panel pro zobrazování událostí. V okénku naleznete tři záložky. Pomocí "Parameter Control" (červená elipsa) můžete zapínat a vypínat, které objekty se zobrazí, a například i měnit jejich barvu. Nejdůležitější ale je, že zde můžete vybrat prahové hodnoty různých veličin pro filtrování zobrazovaných událostí (bude vysvětleno později). "Interaction and Window Control" (zelená elipsa) umožňuje například přecházet od modu přibližování k vybírání stop nebo přepínat mezi různými projekcemi. "Output Display" (modrá elipsa) ukazuje detailní informace o objektu, který byl vybrán vybíracím nástrojem.
• Po kliknutí na "Parameter Control" a následně "Cuts" můžete definovat speciální výběrová kritéria pro to, které částice budou programem zobrazeny.
• V záložce "Interaction and Window Control" si vyzkoušejte přibližování/zmenšování a po změně nástroje z přibližovacího (červená elipsa) na vybírací (symbol ruky s ukazováčkem - žlutá elipsa) také vybírání stop.
• V této události se toho hodně děje. Vidíme velké množství stop částic. Zdaleka ne všechny jsou zajímavé. Pro nás jsou důležité částice s velkou příčnou hybností (což je složka hybnosti částice kolmá na osu svazkové trubice). Částice s malou příčnou hybností je možné potlačit zvětšením hodnoty ohraničeni zdola ("řezu" - cut) na kartě "Cuts".
• K tomu, aby program zobrazil pouze částice s příčnou hybností větší než zadaná hodnota, použijte kartu "Cuts" v okně "Control Window". Je třeba zadat zvolenou hodnotu příčné hybnosti do příslušného políčka (žlutý rámeček - vyzkoušejte 5 GeV) a stisknout klávesu Enter. Před tím se přesvědčte, že před novou hodnotou řezu je v políčku tabulky symbol > (mění se kliknutím) a že čtvereček úplně vlevo je zaškrtnutý. Na dalším obrázku uvidíte výsledek akce.
• To už vypadá podstatně přehledněji. Údaje o zbývajících částicích získáte tak, že vyberete z lišty nástrojů symbol ruky s ukazováčkem (červený rámeček). Po kliknutí na stopu některé z částic ve vnitřním detektoru čára změní barvu - ale to není všechno. V informačním rámečku na kartě "Output Display" se zároveň objeví podrobné údaje o zvolené částici. Uvidíte to na následujícím obrázku.
• V modrém rámečku vidíte údaje o zvolené částici.
• Po vybrání některé stopy nástrojem "ruka" a kliknutí na "Insert Track" (červená elipsa) se zvolená stopa objeví v tabulce "Invariant Mass Window" (nahoře). Stejná stopa bude také zvýrazněna v okénku "Track Momentum Window". Pokud vyberete dvě stopy a obě vložíte do tabulky, HYPATIA automaticky spočítá invariantní hmotnost dané dvojice částic.
• HYPATIA umí také vytvářet histogramy. Vyberte v menu tabulky "Invariant Mass Window" položku "Histograms" (červená elipsa) a vyberte požadovaný typ histogramu.
• Obrázky, které jste viděli doposud, pocházejí z o něco starší verze programu HYPATIA. Dnes budete používat novější verzi, která je vybavena některými dalšími funkcemi. 1) Lze snadno přepínat mezi nástrojem výběru (select tool) a přibližováním (zoom) (tlačítka ve žlutém rámečku vpravo dole). 2) Přibyla tabulka "Physics Objects" (červený rámeček). 3) Můžete vybrat také objekt foton ("Photon" - zelený rámeček)
• Pokud aktivujete tabulku "Physics Objects" (v červeném rámečku), získáte seznam rekonstruovaných objektů v dané události. Objektům odpovídají žluté grafické prvky v zobrazení události (zde označené zelenými elipsami).
• Abyste zjistili, zda jsou tyto objekty elektrony nebo fotony, můžete například použít ohraničení na příčnou hybnost Pt částic (zelený rámeček). Jak vidíte, v našem případě skoro všechny dráhy zmizí, takže jde patrně o dvoufotonovou událost. Nyní je třeba klinutím vybrat žluté značky v obrázku (ve žlutém kroužku) (nebo ekvivalentně příslušné fyzikální objekty - "physics objects" v rámečku Track Momentum Windows) a zvolit mož nost, že jde o fotony (Photon - červený rámeček). Tím se ocitnou v okénku "Invariant Mass" - invariantní hmotnost (červený rámeček úplně nahoře).
• V této nové verzi programu HYPATIA lze také vybrat 4 leptony (2 miony + 2 elektrony nebo 4 miony nebo 4 elektrony), jak vidíme v červeném rámečku. Program spočítá invariantní hmotnost všech čtyř leptonů a také invariantní hmotnosti jednotlivých párů. Dbejte na správné pořadí při vkládání elektronů a mionů, jinak se objeví sdělení "incompatible", jak je vidět v zeleném rámečku.
• V nové verzi HYPATIA lze též konstruovat některé další typy histogramů. Tlačítko "Histograms" v menu nahoře (červený rámeček) otevře nabídku možností. Vedle histogramů, o nichž už byla řeč, lze vybrat i invariantní hmotnost dvojic fotonů (M(g), v zeleném rámečku)

Do toho - a pohrajte si! Je tu mnoho dalšího k vyzkoušení.