Ταυτοποιώντας Σωματίδια

Για να αναλύσεις τις συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου που σου εμφανίζει το πρόγραμμα, θα πρέπει να γνωρίζεις πώς ταυτοποιείς ηλεκτρόνια (καθώς και ποζιτρόνια), μιόνια (και αντιμιόνια), νετρίνα, αδρονικά σωματίδια και πίδακες. Θα βρεις διευκρινίσεις γι' αυτό το θέμα μέσα από μια σειρά εικόνων.



  • Αυτή η δομή δημιουργείται από ένα ηλεκτρόνιο. Το σωματίδιο άφησε μια τροχιά (κόκκινη) στον εσωτερικό ανιχνευτή (οπότε το σωματίδιο έχει ηλεκτρικό φορτίο) και εναπόθεσε όλη την ενέργειά του στο ηλεκτρομαγνητικό θερμιδόμετρο, μιας και μόνο σ' αυτό βρίσκεις εναπόθεση ενέργειας.
    Αυτό φαίνεται από τα μικρά κίτρινα κελιά μέσα στον ελαφρά πράσινο χρωματισμένο χώρο που αναπαριστά το ηλεκτρομαγνητικό θερμιδόμετρο. Επειδή δεν υπάρχουν στοιχεία στο αδρονικό θερμιδόμετρο ούτε στους θαλάμους μιονίων, το σωματίδιό μας είναι ηλεκτρόνιο ή ποζιτρόνιο.
  • Το ίδιο γεγονός από την όψη βάσης. Η τροχιά και από τους τρεις εσωτερικούς ανιχνευτές και τα κίτρινα μικρά κελιά από την εναπόθεση της ενέργειας αναγνωρίζονται εύκολα.
  • Το ίδιο παρατηρούμε στην πλαϊνή όψη. Αν συνδυάσεις την πλαϊνή και την όψη βάσης μπορείς να έχεις μια αίσθηση του γεγονότος στο χώρο. Είναι μια πολύ καλή άσκηση για το μυαλό.
  • Πώς μπορείς να αποφασίσεις αν είναι ηλεκτρόνιο ή ποζιτρόνιο; Στη μπάρα εργαλείων της MINERVA θα βρεις ένα "χέρι" (κόκκινο πλαίσιο). Κάνοντας κλικ σ' αυτό μπορείς να επιλέξεις μια τροχιά σωματιδίου (κάνοντας πάλι κλικ πάνω της). Θα εμφανιστούν πληροφορίες στο κάτω δεξιά παράθυρο. Οι πληροφορίες περιέχουν, για παράδειγμα, τιμές για τις συνιστώσες της ορμής (Px,Py,Pz) καθώς και της εγκάρσιας ορμής (PT). Στην επόμενη εικόνα θα δεις αυτές τις πληροφορίες.
  • Εδώ είναι η πληροφορίες για την τροχιά που επέλεξες. Οι τρεις πρώτες τιμές δίνουν την εγκάρσια ορμή (pT), την ψευδο-ωκύτητα η και την αζιμούθια γωνία φ. Τα δύο τελευταία μεγέθη δίνουν πληροφορίες που σχετίζονται με διεύθυνση κίνησης του σωματιδίου. Οι επόμενες τρεις μεταβλητές (Px, Py, Pz) δίνουν την ίδια πληροφορία αλλά σε καρτεσιανές συντεταγμένες. Επόμενο είναι το ηλεκτρικό φορτίο του σωματιδίου που αντιστοιχεί στην τροχιά που επιλέχθηκε (το φορτίο στην περίπτωσή μας είναι -1). "-1" σημαίνει ότι το σωματίδιο είναι αρνητικά φορτισμένο ενώ "1" σημαίνει θετικά φορτισμένο. Στην περίπτωσή μας, το σωματίδιό μας είναι το ηλεκτρόνιο. Η τελευταία πληροφορία είναι η "απομόνωση". Δηλαδή, πόσο η επιλεγμένη τροχιά είναι απομονωμένη από το υπόλοιπο γεγονός. Μια τιμή 0 σημαίνει δεν υπάρχει άλλη τροχιά στην γειτονία της επιλεγμένης τροχιάς και επομένως πλήρως απομονωμένη. Οι τιμές για μια καλά απομονωμένη τροχιά είναι 0 έως 0,3.


  • Στο γεγονός αυτό διακρίνουμε μια τροχιά (πορτοκαλί) στον εσωτερικό ανιχνευτή, έχουμε μικρή εναπόθεση ενέργειας στο ηλεκτρομαγνητικό και στο αδρονικό θερμιδόμετρο (και οι δύο εναποθέσεις εμφανίζονται ως μικρά κίτρινα κελιά σε ελαφρά πράσινο και κόκκινο περιβάλλον), καθώς και μικρές (πορτοκαλί) τροχιές στους μιονικούς θαλάμους.
    Είναι ένα μιόνιο (ή αντιμιόνιο), μιας και είναι το μόνο σωματίδιο που διαπερνά ολόκληρο τον ανιχνευτή και αφήνει ίχνη σε όλα τα τμήματά του.
  • Σ' αυτή τη μεγεθυμένη εικόνα, μπορούμε να διακρίνουμε πολύ καθαρά τις πορτοκαλί τροχιές στους θαλάμους μιονίων.
  • Στην πλαϊνή όψη, τα μεμονωμένα "χτυπήματα" στους θαλάμους μιονίων παρουσιάζονται με πορτοκαλί σταυρούς.
    Όλοι αυτοί οι σταυροί, στο εσωτερικό ενός θαλάμου, συνδέονται με μια πορτοκαλί γραμμή που συμβολίζει την τροχιά του μιονίου στο εσωτερικό του συγκεκριμένου θαλάμου. Συνδέοντας, ιδεατά, όλες τις πορτοκαλί τροχιές θα μπορείς να σχηματίσεις την διαδρομή του μιονίου διαμέσου του εξωτερικού φλοιού του ανιχνευτή ATLAS.
  • Μιόνιο ή αντιμιόνιο; Η ίδια διαδικασία που περιγράψαμε για τα ηλεκτρόνια/ποζιτρόνια μας δίνει την απάντηση. Σ' αυτό το γεγονός, παρουσιάζεται ένα μιόνιο (αρνητικό φορτίο -1).


  • Πώς αναγνωρίζει κάποιος ένα νετρίνο; Τα νετρίνα δεν αλληλεπιδρούν με κανένα από τους ανιχνευτές του πειράματος ATLAS. Δεν αλληλεπιδρούν ούτε με τους ανιχνευτές τροχιών, ούτε με τα θερμιδόμετρα, ούτε με τους ανιχνευτές μιονίων. Πώς όμως μπορούμε να ανιχνεύσουμε κάτι που δεν μπορούμε να δούμε; Εφόσον όλα τα κουάρκ και τα γκλουόνια κινούνται κατά μήκος του άξονα της δέσμης πριν από την σύγκρουση των δύο πρωτονίων, έχει σαν αποτέλεσμα η συνιστώσα της ορμής που είναι κάθετη στον άξονα της δέσμης, και που ονομάζεται εγκάρσια ορμή, είναι μηδέν. Λόγω της αρχής διατήρησης της ορμής, η συνολική εγκάρσια ορμή (που ορίζεται σαν το διανυσματικό άθροισμα της εγκάρσιας ορμής όλων των σωματιδίων) πρέπει να είναι μηδέν και μετά τη σύγκρουση. Αν δεν μετράμε σύνολο μηδέν σημαίνει ότι σωματίδια με εγκάρσια ορμή πέρασαν από τον ATLAS χωρίς να ανιχνευθούν (π.χ. ένα ή περισσότερα νετρίνα που έχουν ακριβώς την ελλείπουσα εγκάρσια ορμή).
  • Στον ανιχνευτή ATLAS, η ελλείπουσα εγκάρσια ορμή υπολογίζεται από την ενέργεια που εναποτίθεται στα θερμιδόμετρα. Όταν παρουσιάζεται μια ανισορροπία σ' αυτήν την κατανομή - η οποία καλείται ελλείπουσα εγκάρσια ορμή - αυτό υποδεικνύει ότι κατά τη σύγκρουση παρήχθη ένα νετρίνο. Με δύο τρόπους παρουσιάζεται αυτό στο πρόγραμμα MINERVA: Με την τιμή της ελλείπουσας ορμής που εμφανίζεται στο γράφημα lego (πάνω δεξιά, δες το Missing ET) και με την κόκκινη διακεκομμένη γραμμή στην όψη βάσης. Η γραμμή αυτή υποδεικνύει τη διεύθυνση της ενεργειακής ανισορροπίας, ενώ το πάχος της γραμμής σχετίζεται με την τιμή της ελλείπουσας εγκάρσιας ορμής.
  • Στο γεγονός αυτό έχουν παραχθεί (σχεδόν αποκλειστικά) ένα ηλεκτρόνιο και ένα νετρίνο. Έτσι, η εγκάρσια ορμή μοιράστηκε ανάμεσα σ' αυτά τα δύο σωματίδια. Λόγω της διατήρησης της ορμής το νετρίνο κινείται σε κατεύθυνση (σχεδόν) αντίθετη από του ηλεκτρονίου. Η σχετιζόμενη ελλείπουσα ορμή παρουσιάζεται στο γράφημα lego ή κάνοντας κλικ στην διακεκομμένη γραμμή. Η παχιά διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει πάντοτε την παρουσία ενός ή περισσότερων αόρατων σωματιδίων, π.χ. νετρίνο. Με κόκκινη λεπτή διακεκομμένη γραμμή παρουσιάζεται μια ελλείπουσα εγκάρσια ορμή, περίπου 10-20 GeV, που μπορεί να οφείλεται σε σφάλματα/αβεβαιότητα του ανιχνευτή.


  • Σ' αυτό το γεγονός φαίνονται οι ονομαζόμενοι "πίδακες". Ο κάθε πίδακας αποτελείται από θυσάνους πολλών σωματιδίων. Τα φορτισμένα σωματίδια αφήνουν ίχνη στον εσωτερικό ανιχνευτή τροχιών σε αντίθεση με τα ουδέτερα. Επεκτείνοντας τις τροχιές των φορτισμένων σωματιδίων βρίσκουμε πολλές από τις εναποθέσεις ενέργειας στα θερμιδόμετρα. Πολλές εναποθέσεις ενέργειας στα θερμιδόμετρα δεν αντιστοιχούν σε τροχιές φορτισμένων σωματιδίων επειδή οφείλονται σε ουδέτερα σωματίδια. Ιδιαίτερα το αδρονικό θερμιδόμετρο έχει πολλές εναποθέσεις ενέργειας. Αυτό εξηγείται από τον τρόπο που δημιουργούνται οι πίδακες. Κάθε πίδακας είναι το αποτέλεσμα ενός γκλουονίου, ενός κουάρκ ή ενός αντικουάρκ που εκπέμπεται από το πρωτόνιο κατά τη σύγκρουση. Αυτές οι διαδικασίες απαιτούν μεγάλη ποσότητα ενέργειας για να υπερνικηθούν οι τεράστιες δυνάμεις σύνδεσης που συγκρατούν τα γλουόνια και τα (αντι)κουαρκ στο πρωτόνιο. Ένα μέρος αυτής της ενέργειας χρησιμοποιείται για τη δημιουργία νέων ζευγών κουάρκ - αντικουάρκ τα οποία κινούνται στην ίδια κατεύθυνση και συνδέονται μεταξύ τους σχηματίζοντας νέα σωματίδια που ονομάζονται αδρόνια. Αυτά δημιουργούν τους πίδακες που εμφανίζονται στην εικόνα με γκρι υπόβαθρο, για να τα αναγνωρίζουμε εύκολα.
  • Μη ξεχνάς: σωματίδια που "διασπείρονται", εμφανίζουν τροχιές στον εσωτερικό ανιχνευτή και αφήνουν σήματα στο ηλεκτρομαγνητικό αλλά κυρίως στο αδρονικό θερμιδόμετρο, αναγνωρίζονται ως κουάρκ, αντικουάρκ και γκλουόνια που σχηματίζουν αυτό που λέμε πίδακα.