Detektor DELPHI

V roku 2000 mala kolaborácia DEPLHI okolo 550 fyzikov z 56 univerzít a inštitúcií v 22 krajinách.

DELPHI znamená "detektor pre identifikáciu leptónov, fotónov a hadrónov" (DEtector for Lepton, Photon and Hadron Identification), čo dáva veľmi dobrú predstavu o tom, čo tento detektor robí. Leptón je súhrný názov pre elektróny, mióny, tau leptóny a neutrína. Pochádza z gréckeho slova "leptos", ktoré znamená "malý". Fotóny sú častice, ktoré prenášajú elektromagnetickú interakciu a hadróny sú všetky častice, ktoré reagujú na silnú interakciu. Pôvod ich názvu je tiež v gréckom slove znamenajúcom "silný".

Detektor DELPHI meral okolo 10 metrov v priemere a bol 10 metrov dlhý, vážil približne 3 500 ton. Návrh a skonštruovanie detektora DELPHI trvalo sedem rokov a detektor zbieral dáta vyše jedno desaťročie. DELPHI pozostáva z troch častí, z valcovitej časti a dvoch takzvaných vekovitých uzáverov uzatvárajúcich konce valca, z ktorých každý bol pripevnený na koľajniciach, takže sa mohli pohybovať tam a späť kvôli údržbe.

Detektor DELPHI obklopoval zväzkovú trubicu urýchľovača LEP na jednom mieste, kde sa zrážali elektróny s pozitrónmi. Zrážky sa uskutočňovali v strede valcovitej časti a nech bol smer zrodených častíc akýkoľvek, vždy prechádzali, buď cez valcovú alebo cez vekovú časť. Každá z troch častí obsahovala mnoho rozličných častí, nazývaných subdetektory, ktorých bolo celkovo 19.

Účelom celého zariadenia DELPHI bolo:

získať presný trojrozmerný pohľad na prípad zrážky podľa sledovania dráh vzniknutých častíc,
merať energie častíc za použitia kalorimetrov,
merať hybnosti nabitých častíc za použitia magnetického poľa,
a zisťovať, aké typy častíc sa produkujú, pri využití informácie z niektorých subdetektorov.

Identifikovať častice je úloha pre všetky subdetektory pracujúce spoločne, pretože každý dáva rôzne signály o totožnosti častice, ktorá ním prešla. Hybnosť nabitých častíc sa vypočítava zo zmeraného zakrivenia dráh častíc pohybujúcich sa v magnetickom poli, ktoré je viditeľné pomocou dráhových subdetektorov. Smer zakrivenia vzhľadom na magnetické pole tiež určuje, či je častica nabitá kladne alebo záporne.

Schematické znázornenie detektora DELPHI. Časti detektora pomenované v modrej sú tie, ktoré budete využívať v projekte.

Na schéme hore sú naznačené všetky rozdielne zložky detektora DELPHI. Subdetektory, ktoré budeš využívať v projekte, sú popísané ďalej v texte.

Určovanie dráh v detektore DELPHI je prevažne vykonávané pomocou exoticky nazvanej časovo projekčnej komory (Time Projection Chamber, TPC) za asistovania veľmi presného dráhového detektora bezprostredne obklopujúceho miesto zrážky, nazývaného vrcholový detektor (Vertex Detector, VD). Na určovaní dráh sa taktiež zúčastňujú vnútorný detektor (Inner Detector, ID), komory vo vekovitých uzáveroch, pomenované zadná komora A a B (Forward Chamber A and B, FCA, FCB) a miónový systém (MUB, MUF, MUS).

TPC je valcový objem naplnený plynom, v ktorom nabité častice ionizujú plyn pozdĺž svojich dráh. Elektrické pole spôsobí pohyb uvoľnených elektrónov smerom k jednému koncu valca, kde sú zaregistrované. Stena valca je rozdelená takým spôsobom, že možno zrekonštruovať dvojrozmerný obraz ionizácie odpovedajúci dráham prelietajúcich častíc. Presnosť takto získaných dvoch súradníc je asi štvrtina milimetra. Tretia súradnica sa získava zo zmerania doby príchodu ionizácie a spätnej projekcie na vypočítanie miesta, kde musela prejsť častica. Odtiaľ pochádza názov, časovo projekčná komora. Pretože rýchlosť pohybu ionizácie je presne známa, to udáva tretiu súradnicu s presnosťou lepšou ako jeden milimeter. Takto možno zostrojiť trojrozmerný obraz prípadu zrážky v TPC.

Kalorimetria, čiže meranie energie, sa v detektore DELPHI uskutočňuje pomocou dvoch typov kalorimetrov, nazvaných elektromagnetický a hadrónový. Elektromagnetické kalorimetre merajú energie častíc interagujúcich prostredníctvom elektromagnetickej interakcie: elektróny, pozitróny a fotóny. Hadrónové kalorimetre merajú energie častíc interagujúcich prevažne cez silnú interakciu. Sú to častice tvorené kvarkami, známe pod spoločným menom hadróny.

Oba typy kalorimetrov sú založené na rovnakom základnom princípe: častice interagujú s hustým prostredím, a tak dávajú vznik kaskáde sekundárnych častíc. Toto husté prostredie je dostatočne hrubé na zastavenie častíc s najvyššími možnými energiami na LEP-e, s výnimkou miónov a neutrín, ku ktorým sa vrátime neskôr. V oboch kalorimetroch je husté médium prekladané aktívnym prostredím, kde rýchle častice strácajú časť svojej energie. Pomocou zmerania celkovej energie uloženej v aktívnom prostredí môže byť vypočítaná energia pôvodnej častice.

Pretože elektromagnetická interakcia je veľmi odlišná od silnej interakcie, najlepší materiál pre husté prostredie sa trochu líši pre oba typy kalorimetrov. Olovo je vhodným hustým prostredím pre zostrojenie elektromagnetického kalorimera. Vie absorbovať elektromagnetické častice v relatívne úspornom objeme, kým silno interagujúce častice si prerazia svoju cestu ku hadrónovému kalorimetru. V detektore DELPHI bolo za husté médium pre hadrónový kalorimeter zvolené železo.

Elektromagnetické kalorimetre na DELPHI sa nazývajú vysoko-hustá projekčná komora (High-density Projection Chamber, HPC) a zadný elektromagnetický kalorimeter (Forward ElectroMagnetic Calorimeter, FEMC). Hadrónový kalorimeter (HAdron Calorimeter) je jednoducho známy ako HAC.

Identifikácia častíc sa vykonáva pomocou skombinovania informácie z jednotlivých subdetektorov. Identifikujeme napríklad:

Fotón: Ak vidieť veľkú stratu energie v elektromagnetickom kalorimetri so žiadnými dráhami smerujúcimi do neho, potom vieme, že toto uloženie energie musela zanechať neutrálna častica. Pretože sa častica zastaví v elektromagnetickom kalorimetri a nerazí si cestu do hadrónového kalorimetra, môžeme vyvodiť, že to musí byť fotón.
Elektrón alebo pozitrón: Ak je vidieť veľkú stratu energie v elektromagnetickom kalorimetri a sú tu dráhy smerujúce do neho v dráhových detektoroch, vieme, že častica bola nabitá. Keďže sa zastavila v elektromagnetickom kalorimetri, môžeme v tomto prípade usúdiť, že je to elektrón alebo pozitrón. Smer zakrivenia dráhy nám povie, ktorý z nich, to je.
Hadrón (častica obsahujúca kvarky): Ak je vidieť veľkú stratu energie v hadrónovom kalorimetri, vieme, že je to hadrón a že zrážka zapríčinila produkciu kvarku. Ako predtým, otázku náboja možno zodpovedať po pozretí sa na dráhové detektory. Hadróny niekedy zanechajú energiu v elektromagnetickom kalorimetri, takže oba kalorimetre budú registrovať energetické straty.
Mión: Mióny interagujú s hmotou slabo. Môžu veľmi ľahko prejsť cez husté materiály kalorimetrov. Ak vidieť dráhu v dráhovom systéme a signál v miónových detektoroch, ktorými prešla častica, tak to musí byť mión. Mióny nestrácajú veľa energie v kalorimetroch, takže, ak sú nejaké energetické straty v kalorimetroch pozdĺž ich dráh, potom budú malé.
Neutríno: Neutrína interagujú nesmierne slabo. Môžu prejsť celou Zemou bez toho, aby interagovali, čo ich robí veľmi ťažko zaregistrovateľnými. Avšak detektor DELPHI nie je úplne necitlivý na ich produkciu, pokiaľ sú zrodené s ďalšími, detekovateľnými časticami. Kvôli zisteniu, či prešlo cez detektor DELPHI neutríno, využívame zákon zachovania energie. Ak celková energia častíc vyprodukovaných v zrážke je menšia než skombinovaná energia zrážajúceho sa elektrónu a pozitrónu, potom niektoré častice museli uniknúť ako nezaregistrované. Je prijatá dohoda, že to boli neutrína.

Stopy rôznych typov častíc v jednotlivých vrstvách časticového detektora.

Krátkožijúce častice: Krátkožijúce častice sú špeciálnym prípadom. Ak plánujete riešiť v projekte "Vetviace pomery Z častice", stretnete sa s tau leptónmi. Sú to krátkožijúce častice, ktoré sa rýchlo rozpadajú na iné častice. Tau-antitau prípady môžu byť identifikované, pretože vo všeobecnosti obsahujú malý počet častíc vychádzajúcich navzájom oproti sebe.
Veľmi krátkožijúce častice: Niektoré častice nežijú dokonca dosť dlho na to, aby doleteli do detektora umiestneného najbližšie k miestu zrážky. Ale keďže sa rozpadajú, objavia sa ich produkty rozpadu vychádzajúce z bodu, ktorý je v istej vzdialenosti od miesta zrážky. S veľmi presným určením dráhy vrcholovým detektorom možno zmerať vzdialenosť medzi miestom zrážky a miestom rozpadu veľmi krátko žijúcej častice.

Vrcholový detektor experimentu DELPHI umožňuje presne stanoviť miesto rozpadu veľmi krátko žijúcej častice, a tak poskytuje údaj o dobe života tejto častice.