Ταυτοποιώντας Σωματίδια

Για να αναλύσεις τη σύγκρουση πρωτονίου-πρωτονίου που σου εμφανίζει το πρόγραμμα, θα πρέπει να γνωρίζεις πώς ταυτοποιείς τα ηλεκτρόνια (όπως και τα ποζιτρόνια), τα μιόνια (και τα αντιμιόνια), τα νετρίνο, τα αδρονικά σωματίδια και τους 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 κουτιά 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 κουτιά 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". 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.
  • Το πρόσημο της τιμής της PT (αρνητικό στην περίπτωσή μας) δείχνει το ηλεκτρικό φορτίο του σωματιδίου που επιλέξαμε την τροχιά. Αρνητικό πρόσημο σημαίνει ότι το σωματίδιό μας είναι αρνητικά φορτισμένο. Αν έχουμε θετικό πρόσημο (ή το πρόσημο λείπει) σημαίνει ότι το σωματίδιο είναι θετικά φορτισμένο. Τώρα μπορείς να δεις ότι στο γεγονός μας έχουμε ένα ηλεκτρόνιο.


  • Στο γεγονός αυτό βλέπεις μια τροχιά (πορτοκαλί) στον εσωτερικό ανιχνευτή, μικρή εναπόθεση ενέργειας στο ηλεκτρομαγνητικό καθώς και στο αδρονικό θερμιδόμετρο (και οι δύο εναποθέσεις εμφανίζονται ως μικρά κίτρινα κουτιά σε ελαφρά πράσινο και κόκκινο περιβάλλον), και τέλος στους μιονικούς θαλάμους (πορτοκαλί). 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, μπορείς να δεις πολύ καθαρά τα πορτοκαλί στοιχεία στους θαλάμους μιονίων.
  • Στην πλαϊνή όψη, τα μεμονωμένα "χτυπήματα" στους θαλάμους μιονίων παρουσιάζονται με πορτοκαλί σταυρούς. Όλοι αυτοί οι σταυροί συνδέονται με μια πορτοκαλί διακεκομμένη γραμμή που συμβολίζει την τροχιά του σωματιδίου.
  • 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).


  • Πώς αναγνωρίζει κάποιος ένα νετρίνο; Τα νετρίνο 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 ότι η συντεταγμένη 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 είτε ότι έχουν παραχθεί σωματίδια που είναι αόρατα στον ανιχνευτή (π.χ. ένα ή περισσότερα νετρίνα που έχουν ακριβώς τη διαφεύγουσα εγκάρσια ορμή) ή σωματίδια που έχουν εγκάρσια ορμή αλλά διαφεύγουν από το ATLAS χωρίς να ανιχνευτούν ή η μέτρηση με το ATLAS δεν είναι απόλυτα ακριβής.
  • 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 ενέργεια (Missing ET) - αυτό υποδεικνύει ότι κατά τη σύγκρουση παρήχθη ένα νετρίνο. Με δύο τρόπους παρουσιάζεται αυτό στο πρόγραμμα MINERVA: 1. Με την τιμή της Missing ET στο πάνω δεξί πλαίσιο (με γκρι χρώμα) και 2. 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 ενέργειας.
  • 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 ενέργεια υπολογίστηκε και παρουσιάζεται στη διεύθυνση της εγκάρσιας ορμής. Μια κόκκινη παχιά διακεκομμένη γραμμή, επομένως, 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 πολλά σωματίδια που βρίσκονται κοντά μεταξύ τους. 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 οφείλεται στο ότι οι πίδακες είναι αποτέλεσμα ενός γκλουονίου ή ενός κουάρκ ή ενός αντικουάρκ που εκπέμπεται από το πρωτόνιο κατά τη σύγκρουση. Για να γίνουν αυτές οι διαδικασίες χρειάζεται μεγάλη ποσότητα ενέργειας για να υπερνικηθούν οι τεράστιες δυνάμεις σύνδεσης. 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 "ανοίγουν", 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.