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Identificando partículas
Para analisar as colisões protão-protão mostradas por HYPATIA, primeiro tem de saber como identificar partículas e distinguir diferentes tipos de partículas no detector. Nesta secção irá aprender como identificar electrões (e positrões), muões (e anti-muões), neutrinos (ou anti-neutrinos que não se distinguem dos neutrinos com estes detectores), e outras partículas mais complicadas - hadrões como o protão - que são frequentemente produzidas na forma de jactos de partículas ("jactos"["jets"]).
Clique nas imagens para aprender a identificar electrões, muões, neutrinos e jactos.
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Esta assinatura é provocada por um electrão. A partícula deixou um traço (vermelho) no detector interno (portanto tem carga eléctrica) e libertou toda a sua energia no calorímetro electromagnético, pois é o único onde pode encontrar depósitos de energia significativos. Isto pode ser visto pelas pequenas caixinhas amarelas dentro das estruturas verdes-claro que representam o calorímetro electromagnético. Como não há depósitos de energia no calorímetro hadrónico nem pontos marcados nas câmaras de muões, trata-se de um electrão ou de um positrão.
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O mesmo evento visto na secção transversa. O traço percorre os 3 sub-detectores interiores e as pequenas caixas amarelas representando os depósitos de energia no calorímetro electromagnético são facilmente reconhecíveis.
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A vista longitudinal mostra o mesmo acontecimento. Se combinar ambas as vistas longitudinal e transversa irá obter um representação espacial do acontecimento. Constitui um excelente exercício para a mente!
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Como decidir se se trata de um electrão ou de um positrão? Na barra de ferramentas do HYPATIA encontrará um símbolo (mão com o dedo indicador a apontar). Ao premir nesta opção poderá escolher o traço de uma partícula no visualizador de acontecimentos (premindo novamente no traço escolhido). Seguidamente terá acesso à informação na janela inferior direita. Esta informação contém, por exemplo, os valores medidos das componentes espaciais do momento linear (Px, Py, Pz) e do momento transverso (PT). Na figura seguinte verá a informação contida nesta janela.
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O sinal do valor de PT (aqui temos um sinal menos) mostra a natureza da carga eléctrica da partícula representada pelo traço. Um sinal negativo significa que a partícula é carregada negativamente. Ausência de sinal (ou sinal mais) significa que a partícula é carregada positivamente. Agora podemos confirmar que se trata de um electrão.
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Nesta imagem deste acontecimento podemos ver um traço (cor-de-laranja) no detector interior (também conhecido por detector de traços), ligeiros depósitos de energia nos calorímetros electromagnético e hadrónico (ambos representados por pequenas caixas amarelas inseridas nas estruturas verdes e vermelhas), e um traço nas câmaras de muões (cor-de-laranja). Trata-se de um muão (ou anti-muão), a única partícula que atravessa a totalidade do detector e que, portanto, deixa o seu rasto em todos os sub-detectores.
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Nesta vista aumentada, poderá ver os sinais a cor-de-laranja nas câmaras de muões de forma muito clara.
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Na vista longitudinal, as entradas individuais nas câmaras de muões são representadas por cruzes cor-de-laranja. Todas estas cruzes estão interligadas por uma linha tracejada cor-de-laranja que simboliza o traço do muão.
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Muão ou anti-muão? O mesmo procedimento descrito para o caso electrão/positrão conduz ao resultado: nesta imagem deste acontecimento temos um muão (sinal negativo).
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Neste acontecimento há muitos traços (linhas azuis) no Detector Interno. Há alguns depósitos de energia no calorímetro electromagnético indicados pelas caixas amarelas dentro das estruturas verde-claro (calorímetro electromagnético). Se seleccionar o separador "Physics Objects" poderá ver que há dois objectos reconstruídos, visíveis como dois blocos amarelos na vista de acontecimento. É difícil distinguir se este acontecimento tem dois electrões ou dois fotões e investigações adicionais são necessárias.
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Exigindo que o pT de todos os traços seja > 5 GeV/c, a maior parte dos traços desaparece. O único traço que não desaparece também não aponta para nenhum dos blocos amarelos. Como não há traços de elevado pT, este provavelmente também não corresponde a um electrão ou positrão que nos interesse. Temos ainda imensa energia depositada no calorímetro electromagnético, logo este deve ser um acontecimento di-fotão (dois fotões energéticos e isolados).
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Aumentando a vista longitudinal (zoom), pode-se observar o agrupamento das caixinhas amarelas no calorímetro electromagnético (topo direito e ao meio em baixo). Mais uma vez, não existem traços na direcção destes agrupamentos de energia. Olhando para o separador "Physics Objects" podem-se ver dois objectos reconstruídos. Como vimos nas imagens anteriores que estes não podem ser electrões ou positrões, provavelmente devem ser fotões. Podemos clicar nos objectos e classificá-los como fotões.
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Como reconhecer um neutrino? Os neutrinos não interagem no material, seja qual for o sub-detector de ATLAS que atravessem: detector de traços, calorímetros ou câmaras de muões. Assim, como podemos detectar algo que não conseguimos ver? Uma vez que os quarks e gluões se movem com velocidades ultra-relativistas ao longo do eixo do feixe antes da colisão protão-protão ocorrer, a componente da velocidade perpendicular à direcção do feixe, e portanto o seu momento transverso, é zero. Após a colisão, devido à conservação do momento, o momento transverso total (i.e., a soma vectorial do momento transverso de todas as partículas) tem de ser zero. Se a medida se desviar deste valor significa que, ou temos produção de partículas que são invisíveis para o detector (e.g., um ou mais neutrinos que transportam exactamente o momento transverso em falta), ou temos partículas detectáveis, mas que por alguma razão deixam ATLAS sem deixar rasto (e.g., partículas que atravessam materials passivos, tais como cabos e células desactivadas, ou tubos, como o do feixe).
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No detector de ATLAS, o momento transverso em falta é determinado pela energia depositada nos calorímetros. Qualquer desequilíbrio na distribuição da energia, denominado por energia transversa em falta (do inglês Missing ET ou MET), sugere que um neutrino, ou mais, foi produzido na colisão. Existem duas formas de representar este acontecimento no HYPATIA: 1. Através do valor de MET, mostrado no visualizador de acontecimentos com moldura cinzenta e situado no canto superior direito; 2. Através da linha tracejada vermelha na vista transversa - a sua orientação representa a direcção da energia em falta, enquanto a sua espessura representa a magnitude da perda de energia.
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Neste acontecimento foram produzidos quase exclusivamente um electrão e um neutrino. Uma vez que estas duas partículas são as únicas que emergem do ponto de interacção, por conservação do momento, o momento transverso total terá de ser repartido entre elas. Devido a este facto, o neutrino e o electrão afastam-se na mesma direcção, mas em sentidos opostos, com valores de momento transverso muito semelhantes. A linha tracejada vermelha indica sempre a presença de uma, ou mais, partículas invisíveis, e.g., os neutrinos. Ligeiros momentos transversos em falta, tais como 10-20 GeV (representados por linhas vermelhas tracejadas finas) podem dever-se, também, a ineficiências do detector.
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Nesta imagem de um acontecimento temos jactos. Cada um consiste num conjunto de várias partículas. As partículas electricamente carregadas produzem traços no detector interior (também denominado de detector de traços), ao contrário das partículas neutras. Extrapolando estes traços podemos encontrar muitos depósitos de energia nos calorímetros. Outros depósitos próximos destes não têm traços associados pois foram produzidos por partículas neutras. O calorímetro hadrónico contém especialmente muitos depósitos. Tal acontece porque cada jacto resulta de um gluão, quark ou anti-quark, que é ejectado do protão que colidiu. De forma a vencer as forças muito elevadas que mantêm os quarks confinados dentro do protão, é necessária uma enorme energia. Uma parte desta energia é usada para criar novos pares quark-anti-quark, que se movem aproximadamente na mesma direcção, e que se combinam entre si para formar os hadrões. São estes que constituem os jactos que se apresentam aqui, sobrepostos a um fundo cinzento para mais fácil reconhecimento.
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Não se esqueça: partículas que emergem do ponto de interacção, que produzem traços e depositam energia, particularmente no calorímetro hadrónico, resultam da fragmentação de quarks, anti-quarks ou gluões, e, em conjunto, constituem os jactos.
