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
Rozpoznávání částic
Abyste dokázali analyzovat srážky protonů s protony, které program HYPATIA zobrazuje, musíte vědět, jak rozpoznat různé druhy částic podle stop v detektoru. V této kapitole se naučíte identifikovat elektrony (a pozitrony), miony (a antimiony), fotony, neutrina a další, složitější částice - hadrony jako proton, které často vytvářejí skupiny částic zvané “jety” (či výtrysky).
Po kliknutí na jednotlivé ikony se naučíte identifikovat elektrony, miony, fotony, neutrina a jety.
-
Tento záznam v detektoru odpovídá elektronu (či pozitronu). Částice zanechala stopu (červenou) ve vnitřním detektoru (odtud víme, že je elektricky nabitá) a veškerou energii odevzdala v elektromagnetickém kalorimetru - pouze v zelené části detektoru zobrazující elektromagnetický kalorimetr vidíme žluté obdélníčky, jež znázorňují, že částice odevzdala energii. Ani v hadronovém kalorimetru, ani v mionových komorách není nic, takže musí jít o elektron nebo pozitron.
-
Stejná událost v koncovém pohledu. Snadno rozpoznáme stopu procházející všemi třemi částmi vnitřního detektoru a žluté obdélníčky v místech odevzdání energie v elektromagnetickém kalorimetru.
-
Boční pohled na tutéž událost. Pokud dokážete v mysli zkombinovat boční a koncový pohled, dáte dohromady, jak událost vypadá v trojrozměrném prostoru. Vynikající trénink prostorové představivosti!
-
Jak rozhodnout, zda to je elektron nebo pozitron? V nástrojové liště programu HYPATIA klikněte na symbol ruky s ukazováčkem. Kurzorem v této podobě poté ukažte a klikněte na stopu částice ve vnitřním detektoru. V okénku vpravo dole se zobrazí údaje o této částici, například prostorové složky hybnosti (Px, Py, Pz) a velikost příčné hybnosti (PT). Ukazuje to následující obrázek.
-
Ve znaménku před hodnotou PT (v našem případě je to mínus) je zakódována informace o elektrickém náboji příslušné částice. Záporné znaménko znamená záporně nabitou částici. Žádné (to jest kladné) znaménko znamená částici s kladným nábojem. Vidíme tedy, že v našem případě jde o elektron.
-
Na zobrazení této události vidíme stopu (oranžovou) ve vnitřním detektoru, malé množství odevzdané energie v elektromagnetickém i hadronovém kalorimetru (malé žluté obdélníčky ve světle zelené i červené části detektoru) a záznam z mionových komor (oranžová barva). Jde tedy o mion nebo antimion, jediný typ částice, která projde celým detektorem a zanechává signál ve všech vrstvách (včetně vnějších).
-
Po zvětšení jsou jasně patrné oranžově označené záznamy v mionových komorách.
-
Na bočním pohledu jsou jednotlivé záznamy z mionových komor zobrazeny jako oranžové křížky. Křížky jsou spojeny oranžovou tečkovanou čárou znázorňující, kudy částice letěla.
-
Jde o mion nebo antimion? Použijeme stejný postup jako u elektronů a pozitronů. V tomto případě se díváme na mion (PT má záporné znaménko).
-
V této události vidíme spoustu zobrazených drah (modré linie) ve vnitřním detektoru. Nějaká energie byla odevzdána v elektromagnetickém kalorimetru, jak ukazují žlutá políčka uvnitř světle zelených struktur (tak je elektromagnetický kalorimetr v grafice označen). Pokud vyberete možnost "Physics Objects", objeví se na zobrazení události dvě žluté "věže" - to znamená, že jsou zde dva rekonstruované objekty. Zatím se dá těžko rozhodnout, zda jde o událost se dvěma elektrony nebo dvěma fotony, takže je třeba další zkoumání.
-
Po nastavení ohraničení na Pt > 5 GeV většina drah z obrázku zmizí. Jediná zbývající dráha nesměřuje k žádné ze žlutých věží. Protože k nim nesměřují dráhy s vyšším Pt, nejde patrně o událost elektron-pozitron. V elektromagnetickém kalorimetru byla ovšem odevzdána značná energie, takže jde nejspíš o dvojici fotonů.
-
Na zvětšeném pohledu z boku jsou vidět větší shluky žlutých políček v elektromagnetickém kalorimetru (vpravo nahoře a dole uprostřed). Opět je zřejmé, že k nim nesměřují žádné dráhy. V tabulce "Physics Objects" vidíme dva rekonstruované objekty. Z předchozích obrázků víme, že to nejsou elektrony nebo pozitrony, takže jde patrně o fotony. Můžeme je tedy vybrat kliknutím a v tabulce zvolit tlačítkem možnost fotony.
-
Jak rozpoznat neutrino? Neutrina neinteragují ani s jednou ze součástí detektoru ATLAS. Nezanechávají záznam v dráhových detektorech, v kalorimetrech ani v mionových komorách. Jak detekovat něco, co není vůbec vidět? Všechny kvarky a gluony se před srážkou pohybují ve směru osy svazku, takže jejich rychlost nemá řádné složky, jež by byly na směr svazku kolmé. To znamená, že celková hodnota tzv. příčné hybnosti je nulová. Díky zákonu zachování hybnosti se celková příčná hybnost (tedy vektorový součet příčných hybností všech částic) zachovává a musí být nulová i po srážce. Pokud měření říká něco jiného, buď byly mezi produkty srážky částice, jež jsou pro detektor z principu neviditelné, nebo detektor některé "obyčejné" částice prostě nezaznamenal, protože neměří s dokonalou účinností.
-
V detektoru ATLAS se chybějící příčná hybnost určuje z energie odevzdané v kalorimetrech. Pokud se objeví nerovnováha v bilanci energie - označuje se "chybějící příčná energie (Missing ET)" - může to znamenat, že při srážce vzniklo neutrino a část energie (a tedy hybnosti) odneslo. V programu HYPATIA to zjistíme dvěma způsoby: 1. Z hodnoty veličiny Missing ET v horní části okna "Track Momenta Window" nebo 2. podle červené čárkované čáry v koncovém pohledu na událost. Tato čára jasně ukazuje směr v rovině kolmé na svazek, ve kterém "chybí energie" (tedy směr vektoru chybějící příčné hybnosti). Tloušťka této čáry pak vypovídá o tom, jakou má chybějící příčná energie (a tedy i hybnost) velikost.
-
Při této události vznikl prakticky jenom elektron a neutrino. Téměř zde nejsou jiné částice, a tak je, díky zachování hybnosti, celková příčná hybnost rozdělena mezi tyto dvě. Neutrino tedy odnáší svůj díl příčné hybnosti v téměř přesně protilehlém směru než elektron. Program HYPATIA stanoví odpovídající chybějící energii a zobrazí ji (v koncovém pohledu) ve směru chybějící příčné hybnosti. Tlustá červená čárkovaná čáry tedy naznačuje, že se na události podílela jedna nebo několik neviditelných částic (např. neutrino). Menší hodnoty chybějící příčné hybnosti okolo 10-20 GeV (tedy když je červená čárkovaná čára tenká) mohou být způsobeny i neurčitostmi nebo chybami při fungování detektoru.
-
Na tomto zobrazní vidíme událost s tzv. jety (pro jety se dosud neujal všeobecně přijímaný český termín, někdy se používá slovo "výtrysky"). Každý jet představuje balík či svazek několika částic, převážně silně interagujících čili hadronů. Elektricky nabité částice zanechají stopy ve vnitřním detektoru, neutrální nikoli. Pokud pokračujeme dál ve směru stop, vidíme výrazný záznam v kalorimetrech. Je vidět i značky, které neodpovídají žádným stopám - ty svědčí o tom, že energii v kalorimetru odevzdala elektricky neutrální částice. Mnoho záznamů je vidět především v hadronovém kalorimetru. Je tomu tak proto, že každý jet vznikl z kvarku, antikvarku nebo gluonu, jež původně vylétly ze srážky. K překonání sil, jež je drží uvnitř protonů, je třeba velkého množství energie. Část z ní přemění na další páry kvar-antikvark (jednotlivé kvarky se nedají "utrhnout"), které se pohybují přibližně v původním směru. Ty se spojí do vázaných stavů a dají tak vzniknout novým částicím - hadronům. Ty vytvářejí jety, jimiž se nyní zabýváme. Na tomto obrázku jsou opatřeny šedým pozadím, aby se daly snadno rozpoznat.
-
Shrnuto a podtrženo: Částice, které se vyskytují ve skupinách, zanechávají stopy ve vnitřním detektoru a záznam v elektromagnetickém a zejména hadronovém kalorimetru, mají vztah k "původním" kvarkům, antikvarkům a gluonům vzniklým při srážce a nazývají se jety.
