Dø 실험

DØ experiment
페르밀라브에 건설 중인 Dø 중앙 칼로리계
1992년 2월의 Dø 공동 작업.
건설 중인 DOW, 중앙 추적 시스템 설치

Dø 실험(때로는 쓰여진 D0 실험, 또는 DZero 실험)은 물질의 근본적인 성질에 대한 연구를 수행하는 과학자들의 세계적인 협력이었다. Dø는 일리노이주 바타비아의 페르밀랍의 테바트론 충돌기에 위치한 두 가지 주요 실험 중 하나였다(다른 것은 CDF 실험이었다). 테바트론은 1983년부터 2009년까지 세계 최고 에너지 엑셀러레이터로, 그 에너지가 대형 하드론 충돌기에 의해 추월되었다.[1] Dø 실험은 테바트론이 폐쇄된 2011년에 데이터 취급을 중단했지만,[2] 데이터 분석은 여전히 진행 중이다. Dø 검출기는 공공 투어를 위한 역사적 전시의 일부로 페르밀랍의 Dø 조립 건물에 보존되어 있다.[3]

Dø 연구는 가장 가용성이 높은 에너지에서 양성자와 항정신병자 상호작용에 대한 정밀한 연구에 초점을 맞추고 있다. 이러한 충돌은 E=mc2 관계에 따른 에너지의 질량 변환을 통해 생성되는 많은 새로운 입자를 포함하는 "이벤트"를 낳는다. 이 연구는 우주의 구성 요소들의 성격을 드러내는 아원자 단서들에 대한 집중적인 조사를 포함한다.[4]

개요

1981년 페르밀랍 감독 리온 M. 레더맨은 테바트론 링의 'Dø' 상호작용 영역에 위치하며 페르밀라브에서 계획된 충돌 검출기를 보완할 수 있는 "작지만 크기가 작은 그룹에 의해 구축된 모형 검출기"에 대한 예비 제안을 요청했다.[5] 15개 이상의 단체가 제안서를 제출했다. 이러한 제안 중 3건은 1983년 7월 1일 공식적으로 시작된 폴 그래니스의 주도로 한 번의 노력으로 병합되었다. 이 단체는 1984년 11월에 디자인 보고서를 작성했다. 검출기는 1991년에 완성되었고, 1992년 2월에 테바트론에 배치되었고, 1992년 5월에 첫 충돌을 관측했다.[6][7] 그것은 1992년부터 주요 업그레이드를 위해 폐쇄된 1996년까지의 데이터를 기록했다. 2001년에 두 번째 주행이 시작되어 2011년 9월까지 계속되었다. 2019년 현재도 데이터 분석이 진행 중이다.[8]

Dø 실험은 절정기에 88개 대학의 약 650명의 물리학자와 21개국의 국립 연구소가 참여한 국제적인 협력이다.[9][10] 그것은 입자 물리학의 표준 모델의 많은 측면을 시험하기 위해 테바트론에서 돌고 있는 양자와 항정신병자 사이의 충돌을 연구했다.

Dø 검출기는 빔 양성자와 항정신병자가 충돌한 지역을 둘러싸고 있는 여러 개의 내포된 하위 검출기 그룹으로 구성되었다. 서브디텍터는 오프라인 분석을 위해 수집, 디지털화, 로그 처리된 백만 개 이상의[11] 전자 채널을 제공했다. 초당 약 1000만 건의 양성자 및 항정신병 보 충돌 검사를[12] 실시했으며, 추가 연구를 위해 초당 최대 500건의 충돌이 기록되었다.[13]

물리학 연구

DOW는 6개의 물리학 그룹 내에서 과학 연구를 수행했다. 힉스, 탑, 일렉트로윅, 뉴 현상, QCD, B 물리학. 그들 각각에 상당한 진보가 있었다.[14]

Dø의 제어실
큰 액상 아르곤 칼로리계를 포함한 Dø 검출기

톱 쿼크

Dø 실험의 초기 목표 중 하나는 입자 물리학의 표준 모델에 의해 예측된 물질의 여섯 성분 중 마지막인 상단 쿼크를 발견하는 것이었다.[15] Dø와 CDF 실험은 둘 다 검색을 위해 데이터를 수집했지만, 서로 다른 관찰과 분석 기법을 사용하여 서로의 발견을 독립적으로 확인할 수 있었다.

1995년 2월 24일, Dø와 CDF는 강력한 상호작용을 통해 생성된 상위 및 반대 쿼크 쌍의 관찰을 기술하는 연구 논문을 물리적 검토 서신에 제출하였다.[16] 1995년 3월 2일, 두 공동작업은 약 175 GeV/c의2 질량(거의 금핵의 질량)에서 상단 쿼크의 발견을 공동으로 보고했다.[17][18] [19]

2009년 3월 4일, DOW와 CDF의 협력은 모두 약한 상호작용을 통한 단일 상단 쿼크 생산의 발견을 발표했다. 이 과정은 상위 쿼크 쌍의 생산으로 약 절반의 비율로 발생하지만 잘못된 신호를 발생시킬 수 있는 백그라운드 공정과 구별하기가 더 어려워 관찰이 훨씬 더 어렵다. 단일 상위 쿼크 연구는 상위 쿼크 수명을 약 5 × 10초로−25 측정하고 쿼크 간 세대간 혼합의 CKM 매트릭스의 마지막 미지의 요소를 측정하며 표준 모델을 넘어 새로운 물리학을 탐색하는 데 사용되었다.[20]

질량, 전하, 붕괴 모드, 생산 특성, 양극화 등 상위 쿼크 성질에 대한 정밀 측정이 100여 개 출판물에 보고됐다.

유럽물리학회는 "2019년 유럽물리학회 고에너지 및 입자물리학상"을 "상부 쿼크의 발견과 그 성질의 상세한 측정에 대하여" Dø와 CDF 공동작업에 수여했다."[21]

힉스 보손

후년에 Dø 실험의 주요 물리학 목표 중 하나는 표준 모델에 의해 존재한다고 예측되었지만 알 수 없는 질량을 가진 힉스 보손에 대한 탐색이었다.[22] 그들이 2000년에 결론을 내리기 전에, CERN의 LEP 실험은 114.4 GeV/c보다2 작은 질량을 가진 그러한 힉스 보손의 존재를 배제했었다.[23] 2010년 Dø와 CDF는 금지 영역을 확장하여 160 GeV/c2 정도의 창을 포함시켰다.[24]

2012년 7월 2일, 힉스 보손의 발견에 대한 CERN의 발표를 예상하여, Dø와 CDF 협력은 힉스 보손에 대한 그들의 증거([25]약 3 표준 편차)를 지배적인 바크 최종 상태로 발표했는데, 이는 입자가 115 - 135 GeV/c2 사이라는 것을 나타낸다. 2012년 7월 4일, CERN의 ATLAS와 CMS 실험은 125 GeV/c의2 질량을 가진 힉스 보손의 발견을 발표했다.[26]

힉스 보손 검색을 위해 테바트론에서 개발된 기술은 이후 LHC 분석을 위한 발판이 되었다.[27]

W 및 Z 보손

약한 핵력을 전달하는 W 보손과 Z 보손의 특성은 표준모델의 내부 일관성을 나타내는 민감한 지표다. 2012년에 Dø는 W 보손 질량을 0.03% 이상의 상대 정밀도로 측정했는데, 새로운 물리학의 많은 잠재적 모델들을 배제했다.[28]

Dø와 CDF 실험이 결합되어 Z 보손의 해독에서 전방 후방 비대칭(양성 붕괴 렙톤이 음성 붕괴 렙톤보다 더 자주 들어오는 양성자 방향에 가깝게 나타나는 경향)을 측정하였다. 이러한 비대칭 측정으로부터, 전기약 대칭이 뚜렷한 전자기력과 약한 힘으로 깨지는 것을 지배하는 약한 혼합 각도를 0.15% 이상의 정밀도로 측정했다. 이 결과는 CERN과 SLAC에서 전자 양전자 충돌기 실험과 유사한 정밀도를 가지며 측정 사이의 오랜 장력을 해결하는 데 도움이 된다.[29]

바닥과 매력 쿼크

베이징의 KEK, SLAC, IHEP의 B-공장 실험과 CERN의 LHCb 실험은 b-Quark 또는 c-Quark를 포함하는 하드론 연구의 많은 측면을 지배해왔지만, DOW는 뮤온에 대한 해독제를 통해 볼 수 있는 모든 무거운 향미 하드론을 포함하는 큰 샘플을 사용하여 주목할 만한 기여를 했다.

2006년 7월, Dø 공동작업은 Bs 메손(반-bark 쿼크와 이상한 쿼크를 포함하는 것)을 그것의 항정신병 물질로 변형시킨 최초의 증거를 발표했다. 그 전환은 초당 약 20조 번 일어난다. 만약 표준모델에 있는 것 이상의 새로운 입자가 있었다면, 이 비율은 수정되었을 것이다.[30]

2010년 5월 14일, Dø 공동작업은 양성자-항티프로톤 충돌로 생산된 b와 anti-b 쿼크가 음전하 쌍보다 더 자주 양전하 뮤온 쌍으로 이어지는 경향을 발표했다.[31] 이러한 경향은 단일 뮤온 비대칭의 측정과 함께 우주에서 물질의 지배를 담당하는 물질-항물질 비대칭의 설명에 도움이 될 수 있다.[32] 그러나 대하드론 충돌기 물리학자들의 실험 결과는 "표준 모델과의 차이는 미미하다"[33]고 시사했다.

2007년 6월 12일, Dø 공동작업은 물리적 검토 서신에 5.774±0.019 GeV/c의2 질량이 양성자 질량의 약 6배인 particleb("zigh sub b"로 발음됨)이라는 새로운 입자를 발견했다는 논문을 제출하였다. Ⅱb 바이론은 다운, 이상, 하쿼크로 이루어져 있어 3대째의 물질로부터 쿼크로 형성된 최초의 관찰 바이론이 된다.[34]

머레이 겔-만과 조지 즈바이그의 원래 쿼크 가설은 쿼크 2개와 고물 2개를 포함하는 이국적인 메손(쿼크와 앤티크 대신)이 가능하다는 점에 주목했다. 40년 후 이국적인 메손에 더 독특한 무거운 b-와 c-쿼크가 들어 있는 사례에서 마침내 예가 관찰되었다. Dø는 이 무거운 맛의 이국적인 상태에 대한 새로운 이해를 도왔다.[35]

강한 힘

양자 색역학(Quantum Chromodynamics, QCD)은 양자 특성을 통해 쿼크와 글루온이 상호작용하는 강한 상호작용의 이론으로, 전자석의 전하(Color)와 유사하게, QCD는 제트(분산된 쿼크나 글루온에서 진화된 입자의 시추된 분무)의 생산에 대한 정량적 예측을 한다. W 또는 Z 보손. 2012년 Dø에서 주목할 만한 결과는 큰 산란 각도에서 생성된 매우 높은 에너지 제트의 측정이었다. 이는 양성자와 항정신병자는 전형적으로 수십 개의 쿼크와 글루온으로 만들어졌음에도 불구하고 단일 쿼크가 부모 양성자나 항정신병자 에너지의 절반 이상을 운반할 때 발생한다. 그 측정은 그 예측과 매우 일치했다. 단일 양성자-항티프로톤 접촉 내에서 쿼크와 글루온의 두 개의 독립된 산란에서 기인하는 두 쌍의 제트 또는 광자가 관찰된 일련의 간행물에서, 이 비율의 패턴은 양성자 내 글루온의 공간 범위가 쿼크의 공간 범위보다 작다는 것을 나타냈다.[36]

검출기

Dø 검출기는 여러 개의 "하위 검출기"로 구성되었으며, 충돌 지점을 둘러싼 세 개의 쉘로 그룹화되었다. 가장 안쪽의 껍질은 초전도 자석에 둘러싸인 추적 탐지기로 구성된 중앙 추적 시스템이었다. 이것들은 전자, 광자, 하드론의 에너지를 측정하고 산란 쿼크와 글루온에서 발생하는 입자의 "제트"를 식별하는 칼로미터로 구성된 두 번째 껍질로 둘러싸여 있었다. 세 번째 셸인 뮤온 시스템은 뮤온을 식별하기 위해 자화된 고체 철 자석의 전후에 추적 챔버와 섬광기 패널을 가지고 있었다. 검출기 전체가 방사선 방패 역할을 하는 콘크리트 블록 벽 뒤에 감겨 있었다. 검출기의 무게는 약 10m×10m×20m이며 무게는 약 5,500t이었다. 그것은 공공 역사 전시회의 일부로 페르밀랍의 Dø 조립 건물에 보존되어 있다.[37]

중앙추적시스템

중앙 추적 시스템은 충전된 입자 트랙 위치 측정을 위한 2개의 하위 검출기와 트랙이 구부러지도록 하는 자기장을 가지고 있어 모멘텀을 측정할 수 있었다.

실리콘 마이크로 스트립 트래커는 테바트론 빔 파이프 바로 바깥쪽에 위치해 있었다. 빔과 동심인 5 배럴과 빔에 수직인 스트립이 있는 16개의 디스크를 통해 충전된 선로 좌표의 정밀 측정을 제공했다. 이것들은 입자 모멘텀을 결정하고, 1차 충돌 지점에서 나온 입자와 바닥 쿼크를 포함하는 타우 렙톤과 하드론처럼 부패하기 전에 유한한 거리를 이동한 입자를 구별하는데 도움을 주었다. 50미크론 폭의 실리콘 스트립 약 80만개로 구성돼 약 10미크론까지 선로 위치를 측정할 수 있었다. 실리콘 검출기의 외부 반경은 높은 비용으로 인해 10cm로 제한되었다.[38] 실리콘 마이크로스트립 트래커는 2001년부터 시작된 Tevatron Run II 충돌기 프로그램의 검출기에 설치되었다.[39] 그것은 2002년 4월까지 완전히 기능했다.[40][41]

실리콘 트래커 외부에서는 원통형 섬광 섬유 트래커가 빔 라인을 따라 20~52cm에서 2.5m 사이의 방사형 영역을 점유했다. 입자들은 8겹의 835미크론 직경의 섬광섬유를 통과했다. 이 섬유들은 입자가 광자를 통과할 때 광자를 생성했다.[42] 7만 5천 개 이상의 각 섬유에서 나오는 빛은 디지털화되고 기록되는 전자 신호를 생성하는 고체 상태 센서로 전달되었다. 섬유 추적기의 공간 정밀도는 약 100미크론이었다.[43]

초전도 솔레노이드 자석은 섬유 트래커 바로 바깥쪽에 위치하여 실리콘과 섬유 트래커 볼륨에 2T 자기장을 생성하였다.[44]

칼로리미터

칼로리계통은 3개의 샘플링 칼로리미터(원통형 중앙 칼로리미터와 2개의 엔드 칼로리미터), 상호결정 검출기, 프리샤워 검출기로 구성되었다.[45] 열량계와 관련 하위 검출기의 작업은 전자, 광자 및 전하 및 중성 하드론의 에너지 측정이었다. 이는 입사 입자가 상호작용하고 2차 입자를 생성하는 밀도 높은 불활성 물질의 여러 층을 통과하도록 함으로써 달성되었다. 그러한 모든 이차 입자의 수집을 샤워라고 한다. 발전기 입자의 에너지는 궁극적으로 멈추는 훨씬 낮은 에너지의 많은 샤워 입자들 사이에서 공유되었고, 이때 샤워는 끝났다. 불활성 물질의 층들 사이에는 입자의 이온화를 측정하는 검출기가 있었다. 샤워기를 통해 합산한 총 이온화 신호는 발전기 입자의 에너지에 비례한다.[46]

섬광기 기반 프리샤워 스트립의 원통형 레이어를 솔레노이드 바로 바깥쪽에 배치하고 섬유 트래커 센서로 판독했다. 유사한 프리샤워 감지기가 추적 영역의 끝을 덮었다. 납 시트로 증강된 솔레노이드의 물질은 일차 전자와 광자로 하여금 이차 입자의 샤워를 시작하게 했다. 따라서 프리샤워 검출기는 열량 측정의 첫 번째 단계였고 입자 충격 지점의 정확한 위치를 제공했다.

솔레노이드를 덮는 중앙 열량계와 두 개의 끝 열량계는 전자기 입자와 하드론을 측정하기 위한 별도의 섹션을 포함하고 있었다. 우라늄은 매우 높은 밀도 때문에 불활성 흡수기로 선택되었다. 활성 간극에는 구리 전극의 미세 분할 면에 흐르는 입자의 이온화를 수집하기 위해 강한 전기장을 적용한 액체 아르곤이 들어 있었다. 이러한 신호는 입자 에너지와 입자 유형을 식별하는 데 도움이 되는 가로 및 세로 샤워 형태를 측정하는 50,000개의 신호로 분류되었다. 각 열량계에는 총 중량이 240~300톤인 약 60개의 우라늄 액체 아르곤 모듈이 포함되어 있었다. 열량계의 총 두께는 약 175cm로 충돌로 인해 가장 강력한 입자의 소나기를 완전히 흡수할 수 있었다. 액체 아르곤 온도(-190 C)에서 모듈을 담아야 하는 스테인리스강 용기는 상대적으로 두꺼웠기 때문에 중심과 끝 칼로리미터 사이에 섬광 검출기를 삽입하여 극저온 벽에서 손실된 에너지를 보정했다.

열량측정의 주요 임무는 제트기의 식별, 쿼크와 글루온이 충돌 지점에서 탈출하면서 생성되는 입자의 분무다. 제트 식별과 그들의 방향과 에너지의 측정을 통해 분석은 1차 충돌에서 기초 쿼크와 글루온의 모멘텀을 재현할 수 있다.[47]

뮤온 검출기

검출기의 가장 바깥쪽 껍질은 뮤온 검출용이었다. 고에너지 머온은 매우 드물기 때문에 흥미로운 충돌의 명백한 징후다. 대부분의 입자와 달리, 그들은 칼로리미터에 흡수되지 않았으므로, 칼로리미터 너머에서 관측된 트랙은 뮤온일 가능성이 가장 높다. 섬광기 평면은 흥미로운 사건에 플래그를 지정하는 데 사용되는 빠른 서명을 제공했다. 고체 철 자석이 뮤온 트랙을 기록하기 전에 추적 챔버의 스테이션 1개, 그리고 고체 철 자석 뒤에 있는 스테이션 2개. 이 큰 중앙 자석의 철은 우주에서의 방사선 손상을 모의 실험하기 위해 만들어진 NASA 사이클로트론으로부터 회수되었다.[48][49]

트리거 및 DAQ

검출기에서 초당 약 1,000만 건의 양성자-안티프로톤 충돌이 발생했다. 이는 컴퓨팅 능력을 훨씬 초과했기 때문에, 이러한 이벤트의 극히 일부만이 초당 테이프에 저장될 수 있었다. 따라서 테이프에 기록될 만큼 "관심"한 이벤트와 폐기할 수 있는 이벤트를 결정하는 복잡한 DAQ(데이터 수집) 시스템이 구현되었다.[50][51] 트리거 시스템은 전자 신호를 사용하여 전자, 뮤온, 광자, 고에너지 제트 또는 부패하기 전에 어느 정도 거리를 이동한 입자와 같은 관심 이벤트를 식별했다. 첫 번째 트리거 레벨은 각 하위 검출기의 빠른 전자 신호를 사용하여 데이터 수집을 일시 중지하고 신호를 디지털화할지 여부를 몇 마이크로초 이내에 결정했다. 약 10,000개의 레벨 1 트리거가 허용되었다. 두 번째 트리거 레벨은 여러 하위 검출기의 디지털화된 신호를 조합하여 선택 영역을 세분화하여 보다 미묘한 이벤트 프로파일을 형성함으로써 후보 이벤트 풀을 초당 1000개의 이벤트로 줄였다. 3단계에서는 컴퓨터 농장이 디지털 정보를 완전 오프라인 컴퓨터 코드의 벗겨진 버전으로 분석하여 초당 최대 100개의 이벤트를 산출하여 대형 오프라인 컴퓨터 농장에서 영구적으로 기록하고 분석하였다. 트리거 시스템의 작동은 저장된 이벤트 수를 최대화하는 것과 이를 수집하는 동안 발생하는 데드 시간을 최소화하는 것 사이의 미묘한 균형이었다. 방아쇠에 의해 선택되지 않은 수백만 개의 사건들이 영원히 사라졌기 때문에, 그것은 견고하고 신뢰할 수 있어야 했다.[52]

참조

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