좌표: 46°14'06 ″N 06°02'42 ″E / 46.23500°N 6.04500°E / 46.23500; 6.04500

대형 전자-양전자 충돌기

Large Electron–Positron Collider
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대형 전자-양전자 충돌기
CERN의 이전 LEP 터널은 Large Hadron Collider를 위한 자석으로 채워져 있습니다.
일반속성
가속기종류싱크로트론
보형전자, 양전자
대상유형충돌기
보 특성
최대 에너지209 GeV
최대 전류6.2mA
최대 광도1x10/(cm ⋅)[1]
물성
둘레26659m
위치스위스 제네바
좌표46°14'06 ″N 06°02'42 ″E / 46.23500°N 6.04500°E / 46.23500; 6.04500
기관.CERN
가동일자1989 - 2000
성공자대형 강입자 충돌기

LEP(Large Electron-Positron Collider)는 지금까지 만들어진 입자 가속기 중 가장 큰 것 중 하나였습니다. 그것은 스위스 제네바 근처의 핵과 입자 물리학 연구를 위한 다국적 센터인 CERN에 지어졌습니다.

LEP는 209 GeV에 도달하는 에너지에서 전자와 양전자를 충돌시켰습니다. 그것은 지하 약 100m(300피트)의 터널에 건설되어 스위스와 프랑스를 통과하는 둘레 27km의 원형 충돌기였습니다. LEP는 1989년부터 2000년까지 사용되었습니다. 2001년경 LEP 터널을 재사용한 Large Hadron Collider를 위해 해체되었습니다. 현재까지 LEP는 가장 강력한 렙톤 가속기입니다.

충돌기 배경

LEP는 원형 경입자 충돌기로, 지금까지 만들어진 경입자 충돌기 중 가장 강력했습니다. 맥락상 현대 충돌기는 일반적으로 모양(원형 또는 선형)과 가속 및 충돌하는 입자 유형(렙톤 또는 강입자)에 따라 분류할 수 있습니다. 렙톤은 점입자로 비교적 가볍습니다. 점입자이기 때문에 충돌은 깨끗하고 정확한 측정에 적합하지만, 가벼운 입자이기 때문에 더 무거운 입자에서 얻을 수 있는 에너지와 같은 에너지에 도달할 수 없습니다. 하드론은 쿼크로 구성된 복합 입자이며 상대적으로 무겁습니다. 예를 들어 양성자는 전자보다 질량이 2000배 더 큽니다. 질량이 더 높기 때문에 훨씬 높은 에너지로 가속될 수 있으며, 이는 현재 일반적으로 인정되는 이론에서 예측할 수 없는 새로운 입자나 상호작용을 직접 관찰하는 열쇠입니다. 그러나 하드론 충돌은 매우 지저분합니다(예를 들어 관련이 없는 트랙이 많고 충돌 에너지를 결정하는 것이 간단하지 않기 때문에 분석이 더 어렵고 정밀 측정에 덜 적합합니다).

LEP 입자 빔 튜브의 단면

충돌기의 모양도 중요합니다. 고에너지 물리학 충돌기는 입자를 덩어리로 모은 다음 덩어리를 함께 충돌시킵니다. 그러나 실제로 충돌하는 입자는 각 다발에 있는 매우 작은 부분에 불과합니다. 원형 충돌기에서, 이 번치들은 대략 원형의 모양을 반대 방향으로 돌고 있기 때문에 계속해서 충돌할 수 있습니다. 이는 높은 충돌률을 가능하게 하고 대량의 데이터 수집을 용이하게 하므로 정밀 측정 또는 매우 드문 붕괴를 관찰하는 데 중요합니다. 그러나 싱크로트론 방사선의 손실로 인해 번치의 에너지가 제한됩니다. 선형 충돌기에서는 입자가 직선으로 움직이기 때문에 싱크로트론 방사에 영향을 받지 않지만, 번치는 재사용할 수 없기 때문에 대량의 데이터를 수집하기가 더 어렵습니다.

원형 경입자 충돌기로서, LEP는 이전에 달성할 수 없었던 에너지에서의 전기약물 상호작용의 정밀한 측정에 매우 적합했습니다.

역사

LEP의 건설은 중요한 작업이었습니다. 1983년부터 1988년 사이에는 유럽에서 가장 큰 토목 공사였습니다.[2]

1989년 8월 LEP 충돌기가 작동을 시작하면서 전자와 양전자를 각각 45 GeV의 총 에너지로 가속시켜 91 GeV의 질량을 가진 Z 보손을 생산할 수 있게 했습니다.[2] 가속기는 나중에 업그레이드되어 각각의 질량이 80 GeV인 W 보손 쌍을 생산할 수 있게 되었습니다. LEP 충돌기 에너지는 결국 2000년 말 209 GeV에서 1위를 차지했습니다. 200,000 이상의 로렌츠 인자(= 입자 에너지/정지 질량 = [104.5 GeV/0.511 MeV])에서 LEP는 여전히 제한된 빛의 속도에 매우 가까운 입자 가속기 속도 기록을 보유하고 있습니다. 2000년 말, LEP는 LHC(Large Hadron Collider) 건설을 위해 터널에 공간을 마련하기 위해 폐쇄되었다가 해체되었습니다.

작동

CERN에서 열리는 Microcosm 전시회에 전시된 LEP의 오래된 RF 캐비티

LEP는 CERN의 가속기 복합체에 의해 전달된 전자와 양전자를 공급받았습니다. 입자는 LEP Pre-Injector에 의해 생성되고 처음에 가속되었으며, 프로톤 싱크로트론과 슈퍼 프로톤 싱크로트론에 의해 빛의 속도에 가깝게 더 가속되었습니다. 거기서 그들은 LEP 링에 주입되었습니다.

모든 링 충돌기와 마찬가지로, LEP의 링은 하전 입자를 원형 궤도로 강제하는 많은 자석, 무선 주파수 파동으로 입자를 가속시키는 RF 가속기, 그리고 입자 빔에 초점을 맞추는 4중극으로 구성되었습니다. 가속기의 기능은 입자의 에너지를 증가시켜 입자가 충돌할 때 무거운 입자가 생성될 수 있도록 하는 것이었습니다. 입자가 최대 에너지로 가속되었을 때(그리고 소위 번치로 초점이 맞춰졌을 때), 전자와 양전자 다발이 검출기의 충돌 지점 중 하나에서 서로 충돌하도록 만들어 졌습니다. 전자와 양전자가 충돌하면 광자나 Z보손 같은 가상 입자로 소멸합니다. 가상 입자는 거의 즉시 다른 기본 입자로 붕괴되고, 그 다음 거대 입자 감지기에 의해 감지됩니다.

디텍터

Large Electron-Positron Collider에는 지하 홀의 4개의 충돌 지점 주변에 설치된 4개의 감지기가 있었습니다. 각각은 작은 집 크기였고 에너지, 운동량, 전하량으로 입자를 기록할 수 있었기 때문에 물리학자들은 발생한 입자 반응과 관련된 기본 입자를 추론할 수 있었습니다. 이 자료를 통계적으로 분석함으로써 기본 입자 물리학에 대한 지식을 얻을 수 있습니다. LEP의 4개의 검출기는 Aleph, Delphi, Opal, 그리고 L3로 불렸습니다. 그것들은 보완적인 실험을 할 수 있도록 다르게 만들어졌습니다.

알레프

주 기사 : ALEPH 실험

ALPH는 CERN의 PEP Physics를 의미합니다. 검출기는 W-보손과 Z-보손의 질량을 천분의 일 부분 이내로 결정했습니다. 가벼운 중성미자를 가진 입자의 계열 수는 2.982±0.013으로 결정되었으며, 이는 표준 모델 값 3과 일치합니다. 양자 색역학(QCD) 결합 상수의 실행은 다양한 에너지에서 측정되었으며 QCD의 섭동 계산에 따라 실행되는 것으로 나타났습니다.[3]

델파이

메인기사 : 델파이 실험

델파이는 렙톤, 광자 및 하드론 식별 기능이 있는 DETector를 의미합니다.

오팔

주 기사: OPAL 실험

OPAL은 Omni-Purpose Approach for LEP의 약자입니다. 이 실험의 이름은 말장난이었습니다. 처음 디자인을 제안한 과학적 협력의 창립 멤버들 중 일부가 이전에 함부르크의 DESY에서 JADE 검출기를 작업했기 때문입니다.[4] OPAL은 광범위한 데이터를 수집하도록 설계된 범용 검출기였습니다. 그 데이터는 Z 보손 선 모양을 정밀하게 측정하고, 표준 모델의 세부 테스트를 수행하고, 새로운 물리학에 제한을 두는 데 사용되었습니다. 탐지기는 LHC 장비의 자리를 마련하기 위해 2000년에 해체되었습니다. OPAL 배럴 전자기 열량계의 납 유리 블록은 현재 CERN의 NA62 실험에서 대각 광자 거부권 검출기에 재사용되고 있습니다.

L3

주 기사 : L3 실험

L3는 또 다른 LEP 실험이었습니다.[5] 그것의 거대한 팔각형 자석 반환 요크는 동굴에 그대로 남아 있었고 LHC를 위한 ALICE 검출기의 일부가 되었습니다.

결과.

LEP 실험의 결과는 표준 모델의 많은 양의 정확한 값, 가장 중요한 것은 Z 보손과 W 보손의 질량(1983년 이전 CERN 충돌기인 양성자-반양성자 충돌기에서 발견됨)을 얻을 수 있게 해주었고, 따라서 모델을 확인하고 경험적 데이터의 견고한 기반을 제공했습니다.

힉스 보손

예정된 실행 시간이 거의 끝날 무렵, 데이터는 현재 고에너지 물리학의 성배의 일종인 115 GeV 정도의 질량의 힉스 입자가 관찰되었을 수 있다는 감질나는 암시를 주었지만 결정적이지는 않았습니다. 실행 시간을 몇 달 동안 연장했지만 소용이 없었습니다. 신호의 강도는 입자 물리학자들이 발견을 주장할 것으로 예상되는 신뢰도보다 훨씬 낮은 91% 신뢰 수준으로 해석되는 1.7 표준 편차로 유지되었으며 수집된 LEP 데이터를 사용한 실험의 탐지 범위의 극단적인 상단 가장자리에 있었습니다. 확인을 받기 위해 LEP 운영을 1년 더 연장하자는 제안이 있었고, 이 때문에 LHC 착공이 늦어질 수도 있었습니다. 그러나 계획대로 LEP를 중단하고 LHC와 진행하기로 결정했습니다.

수년 동안, 이 관찰은 힉스 보손의 유일한 힌트였습니다. 2010년까지 테바트론에서의 후속 실험은 이러한 힌트를 확인하거나 반박할 만큼 민감하지 않았습니다.[6] 그러나 2012년 7월부터 LHC의 ATLAS와 CMS 실험은 125 GeV 부근의 힉스 입자의 증거를 [7]제시하고 115 GeV 영역을 강하게 배제했습니다.

참고 항목

참고문헌

  1. ^ Myers, Steve (September 11, 2019). "The Greatest Lepton Collider". CERN Courier. Retrieved 22 April 2022.
  2. ^ a b Myers, S.; Picasso, E. (2006). "The design, construction and commissioning of the CERN large Electron–Positron collider". Contemporary Physics. 31 (6): 387–403. doi:10.1080/00107519008213789. ISSN 0010-7514.
  3. ^ "Welcome to ALEPH". Retrieved 2011-09-14.
  4. ^ "The OPAL Experiment at LEP 1989–2000". Retrieved 2011-09-14.
  5. ^ "L3 Homepage". Retrieved 2011-09-14.
  6. ^ CDF Collaboration, D0 Collaboration, Tevatron New Physics, Higgs Working Group (2010-06-26). "Combined CDF and D0 Upper Limits on Standard Model Higgs-Boson Production with up to 6.7 fb−1 of Data". arXiv:1007.4587 [hep-ex].{{cite arXiv}}: CS1 main: 다중 이름: 저자 목록 (링크) CS1 main: 숫자 이름: 저자 목록 (링크)
  7. ^ "New results indicate that new particle is a Higgs boson - CERN". home.web.cern.ch. Archived from the original on 20 October 2015. Retrieved 24 April 2018.

외부 링크