UA2 실험

UA2 experiment
슈퍼 프로톤-안티프로턴 싱크로트론
(SppS)
SppbarS schematics.png
주요 SppS 실험
UA1지하1길
UA2지하2길
UA4지하4길
UA5지하5길
SppS 사전 가속기
PS프로톤 싱크로트론
AA앤티프로톤 축전지
1982년 CERN Proton-Attiproton Collider에서 개방 위치에 표시된 UA2 검출기

언더그라운드 영역 2 (UA2) 실험은 CERN에서 프로토온-앤티프로톤 충돌기 (SppS)의 고에너지 물리학 실험이었다. 이 실험은 1981년부터 1990년까지 진행되었으며,[1] 주요 목표는 W와 Z 보손의 발견이었다. UA2는 UA1 실험과 함께 1983년 이 입자들을 발견하는데 성공하여 1984년 노벨 물리학상을 카를로 루비아와 사이먼 반 데르 미어에게 수여하게 되었다. UA2 실험은 1981년 하드론 충돌에서 제트기 생산에 대한 첫 번째 증거를 관찰했으며, 상위 쿼크와 초대칭 입자의 검색에도 관여했다. 피에르 다리률라트는 1981년부터 1986년까지 UA2의 대변인을 맡았고, 1986년부터 1990년까지 루이지 디렐라가 그 뒤를 이었다.

배경

1968년경 셸던 글래쇼, 스티븐 와인버그, 압두스 살람은 전자성과 약한 상호작용을 통일하고 1979년 노벨 물리학상을 공동 수상하는 전기위크 이론을 고안했다.[2] 그 이론은 W와 Z보손의 존재를 가정하고, 이들 입자의 존재를 실험적으로 증명해야 한다는 연구계의 압력은 상당했다. 70년대에 W와 Z 보손의 질량은 60 - 80 GeV(W 보손)와 75 - 92 GeV(Z 보손)의 범위에 있다는 것이 확인되었는데, 이 에너지는 그 당시 작동 중인 어떤 가속기에서도 접근할 수 없을 정도로 크다.[3] 1976년 카를로 루비아, 피터 맥킨타이어, 데이비드 클라인 등은 양성자 가속기를 페르밀라브에서 이미 작동하고 있었고 CERN(SPS)에서 건설중인 중이었으며 W와 Z보손 생산에 충분한 에너지를 얻을 수 있는 양성자-항티프로톤 충돌기로 개조할 것을 제안했다.[4] 이 제안은 1978년 CERN에서 채택되었으며, 슈퍼 프로토온 싱크로트론(SPS)이 수정되어 때때로 양성자-항티프로톤 충돌기(SppS)로 작동하기도 했다.[5]

역사

1978년 6월 29일 UA1 실험이 승인되었다. UA1과 같은 목적으로 두 번째 검출기에 대한 제안이 같은 해에 이루어졌다. 1978년 12월 14일, 피에르 다리률랏, 루이지 디 렐라, 협력자들의 제안이 승인되었다.[6] UA1과 마찬가지로 UA2는 이동 가능한 검출기로서, 충돌기의 빔 파이프 주위에 제작되었으며, W와 Z 입자의 서명을 위해 양성자와 항정신트로톤 충돌을 검색했다.[1] UA2 실험은 1981년 12월에 가동되기 시작했다. 초기 UA2 협력은 베른, CERN, 코펜하겐, 오르세, 파비아, 새클레이의 약 60명의 물리학자로 구성되었다.

1981년부터 1985년까지 UA1과 UA2 실험은 약 0.9 pb의−1 통합 광도에 해당하는 데이터를 수집했다. 1985년부터 1987년까지 SppS가 업그레이드되었고, 기계의 광도는 이전 성능보다 10배 증가하였다.[3] UA2 하위 검출기도 업그레이드돼 검출기(Detector)가 헤르메틱(Hermetic)이 돼 누락된 횡방향 에너지 측정 능력이 높아졌다.

두 번째 실험 단계는 1987년부터 1990년까지 계속되었다. 케임브리지, 하이델베르크, 밀라노, 페루자, 피사의 그룹들이 이 협업에 참여했고, 이 협회는 약 100명의 물리학자로 성장했다. 이 단계에서 UA2는 3대 주요 실행 기간에 13.0 pb의−1 통합 광도에 해당하는 데이터를 축적했다.[7] 거의 10년간의 운영 끝에, UA2 실험 프로그램은 1990년 말에 실행을 중단했다.

구성 요소 및 작동

LSS4 지하실험실 토목공사

UA1과 UA2 실험은 양성자-항티프로톤 충돌 작동 중 데이터를 기록했다가 데이터 촬영 기간 후 다시 이동, SPS가 고정 표적 작동으로 복귀할 수 있도록 했다. UA2는 SppS의 빔 파이프에서 분리되었을 때 에어 쿠션에 옮겨졌다.[1]

건설

UA2 실험은 SPS/SppS 액셀러레이터 링에 있는 지하 50미터 지점에 위치해 있었으며, 큰 동굴에 수용되었다. 동굴은 검출기를 보관할 수 있을 정도로 크며, 가속 페달을 밟지 않고도 "가라지 위치"로 조립할 수 있는 공간을 제공하며, 데이터 수집 기간 후 다시 이동했다. 따라서 가속기는 충돌기로 작동한 후 고정 표적 작동으로 되돌릴 수 있다.[1]

디텍터

UA1과 UA2 실험은 많은 공통점을 가지고 있었다; 그들은 둘 다 같은 가속기로 작동하고 있었고 같은 목적을 가지고 있었다. (W와 Z 보손들을 발견하기 위한) 주요 차이점은 검출기 설계였다. UA1은 다목적 검출기였지만 UA2는 범위가 더 제한적이었다.[1] UA2는 W와 Z 디케이의 전자 검출에 최적화되었다. 강조점은 고도로 세분화된 열량계(에너지 입자가 얼마나 축적되는지를 측정하는 검출기)와 구면 투영 기하학(구형 투영 기하학)에 있었으며, 이는 해드론 제트의 검출에도 잘 적응되었다.[3] 충전된 입자 추적은 중앙 검출기에서 수행되었고 에너지 측정은 칼로리미터에서 수행되었다. UA1과 달리 UA2는 뮤온 검출기가 없었다.

UA2 실험용 검출기. 사진은 1985-1987년 업그레이드 후 검출기를 보여주는데, 이때 새로운 엔드캡 칼로미터가 추가되어 상위 쿼크와 새로운 물리학에 대한 검색이 개선되었다.

이 열량계는 각각 4톤의 무게가 나가는 24개의 조각을 가지고 있었다.[8] 이 조각들은 마치 오렌지 조각처럼 충돌 지점 주위에 배열되었다. 충돌에서 분출된 입자들은 무거운 물질의 층에 이차 입자의 소나기를 발생시켰다. 이러한 샤워기는 플라스틱 섬광기 층을 통과하여 데이터 수집 전자 장치가 광전자 증배기로 판독하는 빛을 발생시켰다. 빛의 양은 원래 입자의 에너지에 비례했다. 중심 열량계의 정확한 교정을 통해 W와 Z 질량을 [9]약 1%의 정밀도로 측정할 수 있었다.

디텍터 업그레이드

1985-1987년 검출기의 업그레이드는 완전 칼로리 측정 범위와 하부 횡방향 모멘텀에서의 더 나은 전자 식별의 두 측면을 목표로 했다.[10] 첫 번째 측면은 엔드 캡을 빔 방향에 대해 6°-40° 지역을 커버하는 새 칼리미터로 교체하여 검출기를 밀봉함으로써 해결되었다. 엔드 캡 칼리미터는 전자파 부품용 납/scintillator 샘플링과 해드론 부품용 철/scintillator로 구성되었다.[10] 새로운 칼로리미터의 성능과 세분성은 트리거링 시스템에 중요한 중앙 칼로리계와 일치하도록 설정되었다.

전자 식별은 부분적으로 선구적인 실리콘 패드 검출기로 구성된 완전히 새로운 중앙 추적 검출기 어셈블리를 사용함으로써 개선되었다. 1989년, 이 협력은 충돌 지역 빔 파이프 바로 주변에 배치될 더 미세한 패드 분할을 가진 실리콘 패드 검출기(SPD)를 개발함으로써 이 개념을 더욱 촉진시켰다.[11] 이 검출기는 빔 파이프를 가깝게 감싸는 실린더로 제작되었다. 검출기는 1cm 미만의 사용 가능한 공간에 들어가야 했다. 따라서 검출기의 구성요소를 소형화할 필요가 있었다. 이는 실리콘 센서와 애플리케이션별 집적회로(ASIC)라는 두 가지 새로운 기술로 달성되었다. 기존 전자제품은 부피가 너무 커서 소설 ASIC를 개발해야 했다. 이것은 현재의 실리콘 검출기 이전의 기술인 충돌기 실험에 적용된 최초의 실리콘 추적기였다.[11]

결과.

1983년 1월 25일 CERN에서 W보손 발견 발표가 있었던 기자회견. 오른쪽부터 왼쪽까지: UA1 실험의 대변인 카를로 루비아, 확률 냉각 기술의 개발을 책임지는 사이먼 반 데르 미어, CERN의 헤르비히 쇼퍼 사무총장, CERN의 연구 책임자 에르윈 가바툴러, UA2 실험의 대변인 피에르 다리률랏.

높은 횡방향 모멘텀에 있는 해드론 제트

1982년 12월 2일에 발표된 UA2 협력의 첫 번째 결과는 고도로 횡방향 모멘텀에서 해드론 제트기 생산에 대한 모호하지 않은 첫 관찰이었다.[12] 해드론 제트의 관측은 양자 색역학 이론이 강한 파톤 상호작용의 총특성을 설명할 수 있다는 것을 확인했다.[10]

W 및 Z 보손의 발견

UA2와 UA1의 공동작업은, 비록 더 빈번하지만, Hadronic decay가 더 큰 배경을 가지고 있기 때문에, 그것의 렙토닉 붕괴를 확인함으로써 W 보슨을 찾는 것을 선택했다.[3] 1982년 말까지, SppS는 → e\ W → 데이의 관측을 허용하기에 충분한 광도에 도달했다. 1983년 1월 22일, UA2 협력은 UA2 검출기가 W 보손 후보 4개의 이벤트를 기록했다고 발표했다. 이로써 UA1과 UA2가 함께 본 후보 이벤트는 모두 10개까지 늘어났다. 3일 후, CERN은 W 보슨이 발견되었다고 발표했다.[13]

다음 단계는 Z보손을 추적하는 것이었다. 그러나 Z보손은 W보손보다 열 배 더 희귀할 것이라고 이론은 말했다. 따라서 실험은 W 보손의 존재를 보여주는 1982년 실행에서 수집된 데이터의 몇 배를 수집할 필요가 있었다. 개선된 기법과 방법으로, 광도를 상당히 증가시켰다.[14] 이러한 노력은 성공적이었고, 1983년 6월 1일 CERN에서 Z보손 발견에 대한 공식 발표가 있었다.[15]

상위 쿼크 검색

업그레이드된 검출기(Detector)와의 실행 내내, UA2 협업이 최상위 쿼크를 찾기 위해 미국의 페르밀라브에서 실험들과 경쟁했다. 물리학자들은 1977년 그것의 파트너인 바닥 쿼크가 발견된 이후 그것의 존재를 예상했었다. 톱 쿼크의 발견이 임박했다는 느낌이 들었다.

1987-1990년 실행 동안 UA2는 2065 → decays 및 251 Z decays를 수집했으며, 여기서 W 보손의 질량과 Z 보손의 질량의 비율은 0.[3]5%의 정밀도로 측정할 수 있었다. 1991년까지 LEP에서 Z 보손의 질량에 대한 정확한 측정을 사용할 수 있게 되었다. W 질량과 Z 질량의 비율을 사용하여 W 질량을 처음으로 정밀하게 측정할 수 있었다. 이러한 질량 값은 W 질량에 대한 가상 효과로부터 상단 쿼크를 예측하는 데 사용될 수 있다. 이 연구 결과는 SPPS에서 UA2가 직접 검출할 수 있는 범위를 넘어 110 GeV ~ 220 GeV 범위의 최상위 쿼크 질량 값을 제공했다.[3] 최상위 쿼크는 결국 1995년 페르밀랍의 물리학자들이 175 GeV에 가까운 질량을 가지고 발견하였다.[16][17]

참고 항목

참조

  1. ^ a b c d e "UA2". CERN. Retrieved 21 June 2017.
  2. ^ "The Nobel Prize in Physics 1979". Nobelprize.org. 15 October 1979. Retrieved 28 July 2017.
  3. ^ a b c d e f Di Lella, Luigi; Rubbia, Carlo (2015). "The Discovery of the W and Z Bosons". 60 Years of CERN Experiments and Discoveries. Advanced Series on Directions in High Energy Physics. Vol. 23. World Scientific. pp. 137–163. doi:10.1142/9789814644150_0006. ISBN 978-981-4644-14-3.
  4. ^ Rubbia, C.; McIntyre, P.; Cline, D. (8 June 1976). Producing Massive Neutral Intermediate Vector Bosons with Existing Accelerators. International Neutrino Conference 1976. Aachen, Germany.
  5. ^ Krige, John (1996). "The ppbar Project. I. The Collider". In Krige, John (ed.). History of CERN. Volume III. Amsterdam: North-Holland. pp. 207–251.
  6. ^ Banner, M; et al. (31 January 1978). "Proposal to Study Antiproton-Proton Interactions at 540 GeV CM Energy" (PDF). SPS Committee. Retrieved 24 July 2017.
  7. ^ Jakobs, Karl (1994). "The physics results of the UA2 experiment at the CERN pp collider". International Journal of Modern Physics A. 09 (17): 2903–2977. Bibcode:1994IJMPA...9.2903J. doi:10.1142/S0217751X94001163.
  8. ^ "Family reunion for the UA2 calorimeter". CERN Bulletin. CERN. 3 August 2015. Retrieved 28 July 2017.
  9. ^ "The UA2 detector". CERN. 2003. Retrieved 22 June 2017.
  10. ^ a b c Froidevaux, D.; Jenni, P. (1989). "Physics at the Improved CERN ppbar Collider". In Altarelli, G.; Di Lella, Luigi (eds.). Proton-Antiproton Collider Physics. Advanced Series on Directions in High Energy Physics. Vol. 4. World Scientific Publishing.
  11. ^ a b Gößling, Claus; Jarron, Pierre (2017). "A Novel Particle Detector for UA2: The Power of Silicon". Technology Meets Research: 60 years of CERN Technology - Selected Highlights. World Scientific.
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외부 링크