Ćwiczenie Z
- Przedstawiamy bozon Z
- Przedstawiamy bozon Higgsa
- Identyfikacja cząstek
- Detektor ATLAS
- Przetestujmy!
- Wizualizacja za pomocą HYPATII
- Wizualizacja śladów cząstek
- Rozpoznaj cząstki
- Identyfikacja przypadków
- Poszukiwanie cząstek poprzez masę
- Do pracy!
Centrum wiedzy
Identyfikacja cząstek
Przed analizą zderzeń proton-proton wyświetlanych przez program HYPATIA, trzeba wiedzieć jak identyfikować cząstki i rozróżniać w detektorze ich typy. W tym rozdziale poznamy jak zidentyfikować elektrony (i pozytrony), miony (i antymiony), fotony, neutrina i inne, bardziej skomplikowane cząstki - hadrony, podobne do protonów - które często pojawiają się jako strumienie cząstek (dżety od ang. jet).
Klikając na obrazki dowiesz się więcej o identyfikacji elektronów, mionów, fotonów, neutrin i dżetów.
-
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 HYPATIA 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.
-
Znak wartości PT (w tym wypadku minus) wskazuje na znak ładunku elektrycznego cząstki, która pozostawiła ślad. Znak minus oznacza, że cząstka była naładowana ujemnie. Brak znaku lub plus oznacza, że cząstka jest dodatnio naładowana. Teraz widzimy, że w naszym przypadku występuje elektron.
-
W tym przypadku widzimy ślad (pomarańczowy) w detektorze wewnętrznym, niewielką energię pozostawioną w kalorymetrach: elektromagnetycznym i hadronowym (w obu wypadkach wyświetlane jako małe żółte prostokąciki wewnątrz jasnozielonych i czerwonych elementów detektora) oraz pomarańczowy ślad 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 sygnały w komorach mionowych.
-
W widoku z boku sygnały w komorach mionowych są przedstawione jako pomarańczowe kreski. Są one połączone pomarańczową przerywaną linią, która symbolizuje ślad cząstki.
-
Mion czy antymion? Odpowiedź daje ta sama procedura, która była stosowana dla elektronów. W tym przypadku przedstawiony jest mion (ze znakiem ujemnym).
-
W tym przypadku mamy mnóstwo śladów (niebieskie linie) w detektorze wewnętrznym. Widać też depozyty energii (oznaczone żółtymi prostokącikami) w kalorymetrze elektromagnetycznym (w kolorze jasnozielonym). Po wybraniu opcji "Physics Objects" widać, że są dwa zrekonstruowane obiekty widoczne jako dwa żółte słupki. Trudno powiedzieć, czy w tym przypadku mamy dwa elektrony czy dwa fotony, dlatego konieczne są dalsze badania.
-
Po wprowadzeniu warunku PT > 5 GeV większość śladów znika. Jedyny ślad, jaki pozostał, nie prowadzi do żadnego z żółtych słupków. Ponieważ nie ma śladów z dużym PT, prawdopodobnie nie mamy do czynienia z elektronem ani pozytonem. W kalorymetrze elektromagnetycznym widać jednak dużo pozostawionej energii, tak więc musi to być przypadek z parą fotonów.
-
Patrząc na powiększony widok z boku, możemy zobaczyć grupy żółtych prostokącików (z prawej strony na górze i na dole pośrodku). I znowu żaden ślad nie prowadzi w kierunku tych grup. W oknie "Physics Objects" widać dwa zrekonstruowane obiekty. Z poprzednich obrazków wiemy już, że to nie mogą być elektrony ani pozytony, więc prawdopodobnie są to fotony. Możemy kliknąć na "Physics Objects" i wybrać opcję "foton".
-
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 wiec 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 produkowane są cząstki niewidoczne w detektorze (jedno lub więcej neutrin o pędzie poprzecznym takim jak brakujący), że jakieś inne cząstki opuściły detektor ATLAS bez ich zarejestrowania, lub że w detektorze dokonywane są niedokładne pomiary.
-
W detektorze ATLAS brakujący pęd poprzeczny jest określany na podstawie energii zarejestrowanej w kalorymetrach. Niezrównoważenie tej energii - nazywane brakującą energią poprzeczną (ang. Missing ET) - sugeruje produkcję neutrina. Są dwa sposoby na pokazanie tego w programie HYPATIA: 1. Jako wartość Missing ET w prawej górnej części okna, w szarej ramce, 2. Jako czerwoną przerywaną linię na widoku od strony wiązki. Ta linia pokazuje kierunek niezrównoważonej energii, a jej grubość odpowiada wielkości energii.
-
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. Brakująca energia jest pokazana na obrazie przypadku jako gruba przerywana czerwona linia skierowana zgodnie z brakującym pędem i 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. 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 kwarki w protonach. Część tej energii zużywana jest na produkcję wielu par kwark-antykwark, z których powstają cząstki zwane hadronami. Są one składnikami dżetów oznaczonych w wyświetlanym przypadku przez szare tło.
-
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.
