Alternatíva Z

• Predstavenie Z bozónu
• Predstavenie Higgsovho bozónu
• Identifikácia častíc
• Identifikácia prípadov
  • Keď sa zrazia protóny
  • Prípady so Z bozónmi
  • Prípady s Higgsovými bozónmi
  • Prípady pozadia
  • Zobrazovanie prípadov
  • Precvičte si!
• Objavte znovu Z bozón
• Poďte do práce!

Centrum poznania

• Štandardný model
• Výskum na LHC
• Viac o Z bozóne
• Jednotky energie
• Hybnosť
• Vektory
• Histogram
• Rádioaktivita a W bozón
• Feynmanove diagramy

Zobrazovanie prípadov v HYPATII

Teraz je čas pozrieť sa na to, ako vyzerajú prípady, o ktorých sme hovorili, v zobrazovacom programe HYPATIA. Využijete vaše nové znalosti o charakterizácii prípadov a identifikácii elementárnych častíc. Naučíte sa vybrať signálne prípady a odlíšiť ich od prípadov pozadia.

Di-leptónové a 4 – leptónové prípady (elektróny a mióny) sú vo všeobecnosti jednoducho identifikovateľné. Di-fotónové prípady sú niekedy zložitejšie, najmä keď dráhy smerujú do energetického klastra uloženého v elektromagnetickom kalorimetri (ECAL).

Cez túto úlohu vás prevedie obrázková galéria.

Prípady so Z bozónmi

• 
• V obidvoch pohľadoch vidíme niekoľko stôp vnútri dráhového detektora a istú aktivitu (žlté obdlžníky) v prvej vrstve kalorimetra (na obrázkoch vyfarbený zelenou farbou). To je jasné znamenie, že ide o elektróny.
• Na prvom obrázku v pohľade spredu je vidieť veľa stôp častíc. Aby sme na zobrazení videli iba častice s veľkou priečnou hybnosťou, môžeme definovať tzv. “obmädzenie” (cut) pre túto veličinu. Potom uvidíme iba častice s väčšou než minimálnou hodnotou priečnej hybnosti. Konkrétnu minimálnu hodnotu musíme zvoliť. V našom prípade je vhodná veľkosť 25 GeV. Tým vyberieme na zobrazenie iba častice s priečnou hybnosťou väčšou ako 25 GeV. Ako to vyzerá po uplatnení rezu môžeme vidieť na ďalšom obrázku.
• Ak zväčšíme pohľad spredu, všetko vyzerá tak, že tu máme pár elektrón-pozitrón (všimnite si rozdielne náboje). Chýbajúca priečna hybnosť je veľmi malá, takže nevzniklo žiadne neutríno. Toto je typický prípad rozpadu Z→e^- + e⁺.

• 
• V pohľade spredu aj v bočnom pohľade je vidieť viac rôznych stôp častíc. To je typické pre prípady zaznamenané detektorom ATLAS. Všimnite si, že chýbajúca priečna hybnosť je veľmi malá, takže nevzniklo neutríno. V bočnom pohľade vidíme jasne dva mióny.
• Na tomto zväčšenom pohľade v smere pohybu protónu, môžete jasne vidieť dva mióny. Obe častice mohli vzniknúť z jedinej častice, ktorá sa po svojom vzniku rozpadla.
• Na tomto zväčšenom obrázku vidíme jasne stopy dvoch miónov. Ďalej vidíme, že jeden z nich má kladný náboj a druhý záporný. To znamená, že sme zaznamenali pár mión-antimión. Je to jasný signál, že v tomto prípade vznikol Z bozón.

• 
• V obidvoch pohľadoch vidíme niekoľko dráh v dráhovom detektore, ako aj klastre (zoskupenia) (žltou farbou) v elektromagnetickom kalorimetri (zelená časť detektora). 2 žlté veže v pravej časti zobrazovacieho okna korešpondujú s 2 dôležitými klastrami v kalorimetri. Keďže nevidíme žiadne dráhy, ktoré by ukazovali na tieto klastre, nejde o elektróny, ale o fotóny, čo potvrdí nasledujúci obrázok.
• Zmenou minimálnej hodnoty priečnej hybnosti (v kontrolnom okne) z hodnoty 1 GeV na 5 GeV ("pT - cut") všetky dráhy zmiznú. V okne s hybnosťou častice prepneme z "Dráh-Track" na "Fyzikálne objekty - Physics object". V tomto prípade sú objektom fotóny, keďže nie sú žiadne dráhy, ktoré by na ne ukazovali. Pri výbere pohľadu "fyzikálny objekt", v prípade sa zobrazia ďalšie značky ukazujúce na klastre v kalorimetri (ak sa tam nejaké nachádzajú). Výsledný obrázok zobrazený hore ukazuje, že ide o prípad s 2 fotónmi.
• 2 fotóny môžu byť pridané do okna s invariantnou hmotnosťou kliknutím na "Fotón" v okne s Hybnosťou častice (Track momentum). Tento pár fotónov má invariantnú hmotnosť 110,0 GeV.

• 
• Prípad na obrázku obsahuje 2 klastre v kalorimetri (po jednom klastri v každom pohľade, žltou farbou) s 2 vežami reprezentujúcimi odovzdanú energiu v "lego" zobrazení (pravá časť zobrazovacieho okna).
• Po aplikovaní obmedzenia na priečnu hybnosť (pT - cut) na hodnotu viac ako 5 GeV, vidíme v kalorimetri 2 klastre, jeden bez dráhy, ktorá by k nemu smerovala a jeden s dvoma dráhami, ktoré naň ukazujú (horný obrázok). Dvojitá dráha smerujúca ku klastru v kalorimetri (s číslami 45-46) má invariantnú hmotnosť M(e+e-)=0.2GeV, kompatibilnú s konvertovaným fotónom. Tieto dráhy zmiznú, ak sú požadované aspoň 2 pixely (obrázok dole).
• Pár e+e- ukazujúci na jeden z klastrov zmizne, ak sú požadované najmenej 2 pixely (obrázok hore). čo s ostatnými elektrónovými pármi? Nemajú takmer žiadnu korešpondujúcu energiu uloženú v kalorimetri a obidve dráhy majú rovnaké znamienko. Tieto dráhy môžu byť považované za náhodné dráhy a preto ich môžeme ignorovať. Ak nastavíme hodnotu pT cut na 10 GeV, tieto dráhy zmiznú. Objekty v kalorimetri, ktoré sú považované za fotóny, majú invariantnú hmotnosť M(γγ)=100.1GeV.

• 
• Tento prípad má mnoho dráh, 2 z nich sú jasné mióny, keďže dráhy sa nachádzajú v miónovom spektrometri (pozri oba pohľady). Tento prípad tiež obsahuje 2 energetické klastre (veľké energetické veže v "lego" zobrazení, pravá časť zobrazovacieho okna) s dráhami pravdepodobne ukazujúcimi na klastre. Pokračujme ďalej.
• Zvýšením obmedzenia na priečnu hybnosť častice (pT) na hodnotu 12 GeV (Kontrolné okno- "Control Window"), zostanú viditeľné iba 4 dráhy, 2 opačne nabité mióny a 2 opačne nabité elektróny. To jasne ukazuje zhodu medzi dráhami a klastrami v kalorimetri. Každý z týchto párov má pôvod v Z bozóne (M(ee)=89.6 GeV a M(μμ)=91.1 GeV). Ide o ZZ prípad, prípad s dvoma Z bozónmi, ktoré sa rozpadajú na 4 leptóny. Invariantná hmotnosť 4 leptónov je M(4l)=291 GeV

• 
• Po aplikovaní obmedzenia na pT na hodnotu 5 GeV zostanú v tomto prípade 4 dráhy, pričom každá z nich ukazuje na klaster v kalorimetri. Oba páry častíc pochádzajú zo Z bozónu (M(ee)=89.9 GeV a M(ee)=87.6 GeV). Ide tak o prípad s dvoma Z bozónmi (ZZ prípad), ktoré sa rozpadajú na 4 elektróny. Invariantná hmotnosť týchto 4 elektrónov je M(4l)=229.7 GeV.

Prípady pozadia

• 
• Tento prípad sa odlišuje od prípadov so Z bozónom, v dvoch ohľadoch: 1. sú tu celé “balíky” častíc a 2. veľkosť chýbajúcej priečnej hybnosti je príliš malá na to, aby tu mohlo vzniknúť neutríno (alebo neutrína).
• V oboch pohľadoch je pri zväčšení a použití režimu „rybie oko“ úplne jasne viditeľný balík častíc.
• Na tomto obrázku je zväčšený bočný pohľad na iný prípad. Môžete na ňom rozoznať dva vrcholy interakcií vo vzájomnej vzdialenosti asi 60 cm. Vrcholy sú zvýraznené červenými krúžkami. Na tomto príklade si môžete utvoriť predstavu, aká zložitá môže byť identifikácia prípadu.

• 
• Všimnite si, že hodnota chýbajúcej priečnej hybnosti v tomto prípade je 38 GeV. To naznačuje, že vzniklo neutríno. Tiež vidíme dráhu častice v bočnom pohľade aj v pohľade spredu.
• V pohľade spredu je jasne viditeľný mión (alebo antimión). Jeho stopa v dráhovom detektore smeruje oproti červenej čiarkovanej čiare (znázorňujúcej chýbajúcu priečnu hybnosť). To silne nasvedčuje tomu, že ide o rozpad W bozónu na mión (ktorý letel v tomto zobrazení naľavo) a neutríno (letelo vpravo).

• 
• V pohľade spredu môžete vidieť náznak elektrónu s veľkou priečnou hybnosťou a neutríno (pretože chýbajúca priečna hybnosť je 39 GeV) letiace v opačnom smere. Aj v bočnom pohľade je dobre rozlíšiteľný elektrón.
• Informácia získaná kliknutím na dráhu leptónu prezrádza, že skutočne ide o elektrón (a nie o pozitrón). Všimnite si záporné znamienko pred hodnotou priečnej hybnosti.