Identyfikacja cząstek

Do dokonania analizy przypadków zderzeń proton-proton trzeba wiedzieć, jak można zidentyfikować elektrony (i pozytony), miony (i antymiony), neutrina, hadrony oraz strumienie cząstek (dżety, ang. jet) wyświetlane przez program. Niezbędne objaśnienia są przedstawione na tej stronie w formie galerii obrazków.



  • W tym przypadku występuje elektron. Widzimy ślad cząstki (czerwona linia) w detektorze wewnętrznym (ma więc ona ładunek elektryczny) i energię pozostawioną w kalorymetrze. Energia ta jest przedstawiona jako małe żółte prostokąciki w jasnozielonym obszarze oznaczającym kalorymetr elektromagnetyczny. Ponieważ nie ma takiej energii w kalorymetrze hadronowym ani sygnałów w komorach mionowych, cząstka musi być elektronem lub pozytonem.
  • Ten sam przypadek widziany od strony wiązki. Widać wyraźnie ślad w detektorze wewnętrznym i żółte prostokąciki oznaczające energię pozostawioną w kalorymetrze elektromagnetycznym.
  • Widok z boku pokazuje to samo. Jeśli połączy się widok z boku i od strony wiązki, można przedstawić sobie przypadek w przestrzeni. Jest to świetny sposób na ćwiczenie wyobraźni.
  • Na jakiej podstawie można zdecydować, czy ślad pozostawił elektron czy pozyton? W pasku narzędzi programu MINERVA znajduje się przycisk z palcem wskazującym. Po kliknięciu na ten przycisk można potem wskazywać ślady cząstek na wyświetlanym obrazie przypadku (klikając na nie). Wyświetlana jest wtedy informacja w prawej dolnej części okna, zawierająca na przykład zmierzone składowe przestrzenne pędu (Px, Py, Pz) i pęd poprzeczny (Pt). Na kolejnym obrazku można zobaczyć te informacje.
  • W tej ramce przedstawione są informacje dla wybranego śladu. Pierwsze trzy wielkości to pęd poprzeczny PT, pseudorapidity η i kąt azymutalny φ. Dwie ostatatnie z tych wielkości określają kierunek lotu cząstki.
    Następne trzy wielkości (Px, Py, Pz) dają te same informacje we współrzędnych kartezjańskich. Następnie mamy ładunek elektryczny cząstki (tu: -1). "-1" oznacza cząstkę naładowaną ujemnie. "1" oznacza dodatni ładunek cząstki. Wybraną cząstkę możemy zidentyfikować jako elektron.
    Ostatnia informacja dotyczy izolacji cząstki, czyli w jakim stopniu wybrany ślad jest odizolowany od reszty śladów w tym przypadku. Wartość 0 oznacza, że nie ma innych śladów w pobliżu wybranego śladu, czyli jest on bardzo dobrze izolowany. Dla dobrze izolowanych śladów ta wartość wynosi zazwyczaj od 0 do 0.3.


  • W tym przypadku widzimy ślad (pomarańczowy) w detektorze wewnętrznym, niewielką energię pozostawioną w obydwu kalorymetrach: elektromagnetycznym i hadronowym (wyświetlane jako małe żółte prostokąciki wewnątrz jasnozielonych i czerwonych elementów detektora) oraz małe pomarańczowe ślady w komorach mionowych. Jest to mion lub antymion, jedyne cząstki, które przechodzą przez cały detektor i pozostawiają sygnały we wszystkich jego warstwach.
  • Na tym powiększeniu można lepiej zobaczyć pomarańczowe ślady w komorach mionowych.
  • W widoku z boku sygnały w komorze mionowej są przedstawione jako pomarańczowe kreski. Wewnątrz każdej komory kreski te są połączone pomarańczową przerywaną linią, która symbolizuje ślad mionu w tej komorze. Łącząc w wyobraźni wszystkie pomarańczowe ślady, możemy odtworzyć drogę mionu przez zewnętrzną warstwę detektora ATLAS.
  • Mion czy antymion? Odpowiedź daje ta sama procedura, która była stosowana dla elektronów. W tym przypadku przedstawiony jest mion (z ładunkiem ujemnym).


  • Jak rozpoznać neutrino? Neutrina nie oddziałują w żadnym elemencie detektora ATLAS, ani w detektorze wewnętrznym, ani w kalorymetrach, ani w komorach mionowych. Jak więc wykryć coś, czego nie możemy zobaczyć? Przed zderzeniem proton-proton wszystkie kwarki i gluony w protonach poruszają się wzdłuż osi wiązki i wszystkie składowe ich prędkości prostopadłe do osi są bliskie zeru, a więc całkowity pęd poprzeczny jest równy zeru. Dzięki zasadzie zachowania pędu także i po zderzeniu całkowity pęd poprzeczny (suma wektorowa pędów poprzecznych wszystkich cząstek) jest zerowy. Jeśli z pomiarów wynika coś innego, może oznaczać to, że jakieś cząstki opuściły detektor ATLAS bez ich zarejestrowania (jedno lub więcej neutrin, które w sumie miały pęd poprzeczny taki jak brakujący).
  • W detektorze ATLAS brakujący pęd poprzeczny jest określany na podstawie energii zarejestrowanej w kalorymetrach. Niezrównoważenie tej energii - nazywane brakującym pędem poprzecznym - sugeruje produkcję neutrina podczas zderzenia. Są dwa sposoby na pokazanie tego w programie MINERVA:
    Wartość brakującego pędu poprzecznego jest pokazana na wykresie lego (w prawej górnej części okna, jako Missing ET) oraz przedstawiona jako czerwona przerywana linia na widoku od strony wiązki. Ta linia pokazuje kierunek niezrównoważonej energii, a jej grubość odpowiada wartości brakujacego pędu poprzecznego.
  • W tym przypadku elektron i neutrino są jedynymi wyprodukowanymi cząstkami o dużej energii, dlatego zgodnie z zasadą zachowania pędu całkowity pęd poprzeczny jest podzielony między nimi. Neutrino wylatuje więc prawie dokładnie w przeciwnym kierunku niż elektron. Brakujący pęd poprzeczny może być odczytany z wykresu lego lub przez kliknięcie na przerywaną linię. Grubość tej linii wskazuje na istnienie jednej lub kilku niewidocznych cząstek, np. neutrin. Mniejszy brakujący pęd poprzeczny rzędu 10-20 GeV (wyświetlany jako cienka przerywana czerwona linia) może być wynikiem niedokładności pomiarowych detektora.


  • W tym przypadku pokazane są tzw. dżety (ang. jet), czyli strumienie cząstek zawierające grupę cząstek. Cząstki naładowane elektrycznie zostawiają ślady w detektorze wewnętrznym, neutralne przechodzą bez pozostawienia sygnałów. Na przedłużeniu śladów można znaleźć liczne punkty oznaczające energię pozostawioną w kalorymetrze. Są też takie punkty, które nie odpowiadają żadnemu śladowi, gdyż oznaczają energię pozostawioną przez cząstki neutralne, zwłaszcza w kalorymetrze hadronowym. Można to wyjaśnić rozpatrując sposób powstawania dżetów. Każdy taki strumień cząstek powstaje z gluonu, kwarku lub antykwarku wybitego z protonu podczas zderzenia. Uwalniana jest wtedy znaczna ilość energii konieczna do przezwyciężenia sił wiążących (anty)kwarki i gluony w protonach. Część tej energii zużywana jest na produkcję nowych par kwark-antykwark, poruszjących się mniej więcej w tym samym kierunku, z których powstają cząstki zwane hadronami. Są one składnikami dżetów oznaczonych w wyświetlanym przypadku przez szare stożki.
  • Pamiętaj: zwarte grupy cząstek wylatujących z punktu zderzenia protonów dających ślady w detektorze wewnętrznym, pozostawiających energię w kalorymetrze elektromagnetycznym, a zwłaszcza w kalorymetrze hadronowym, mogą być przypisane kwarkom, antykwarkom lub gluonom i są zwane strumieniami cząstek lub z angielskiego dżetami.