El experimento DØ (a veces escrito experimento D0 o experimento DZero ) fue una colaboración mundial de científicos que llevaron a cabo investigaciones sobre la naturaleza fundamental de la materia . DØ fue uno de los dos experimentos principales (el otro fue el experimento CDF ) ubicados en el Colisionador Tevatron en Fermilab en Batavia, Illinois . El Tevatron fue el acelerador de mayor energía del mundo desde 1983 hasta 2009, cuando su energía fue superada por el Gran Colisionador de Hadrones . [1] El experimento DØ dejó de tomar datos en 2011, cuando el Tevatron cerró, [2] pero el análisis de datos aún está en curso. El detector DØ se conserva en el Edificio de Ensamblaje DØ de Fermilab como parte de una exhibición histórica para visitas públicas. [3]
La investigación del DØ se centra en estudios precisos de interacciones de protones y antiprotones a las energías más altas disponibles. Estas colisiones dan lugar a "acontecimientos" que contienen muchas partículas nuevas creadas mediante la transformación de energía en masa según la relación E=mc2 . La investigación implica una intensa búsqueda de pistas subatómicas que revelen el carácter de los componentes básicos del universo. [4]
En 1981, el director del Fermilab, Leon M. Lederman, solicitó propuestas preliminares para un "detector modesto construido por un grupo de tamaño modesto" que se ubicaría en la región de interacción 'DØ' en el anillo del Tevatron y complementaría el Detector de Colisionadores planeado en el Fermilab . [5] Más de quince grupos presentaron propuestas. Tres de estas propuestas se fusionaron en un solo esfuerzo bajo el liderazgo de Paul Grannis , que comenzó oficialmente el 1 de julio de 1983. El grupo produjo un informe de diseño en noviembre de 1984. El detector se completó en 1991, se colocó en el Tevatron en febrero de 1992 y observó su primera colisión en mayo de 1992. [6] [7] Registró datos desde 1992 hasta 1996, cuando se cerró para actualizaciones importantes. Su segunda ejecución comenzó en 2001 y duró hasta septiembre de 2011. A partir de 2019, el análisis de datos todavía está en curso. [8]
El experimento DØ es una colaboración internacional que, en su apogeo, incluyó a unos 650 físicos de 88 universidades y laboratorios nacionales de 21 países. [9] [10] Estudió las colisiones entre los protones y antiprotones que circulaban en el Tevatrón para probar muchos aspectos del Modelo Estándar de la física de partículas .
El detector DØ constaba de varios grupos de subdetectores anidados que rodeaban la región donde colisionaban los haces de protones y antiprotones. Los subdetectores proporcionaban más de un millón de canales de electrónica [11] que se recopilaban, digitalizaban y registraban para realizar análisis fuera de línea. Se inspeccionaban alrededor de 10 millones de colisiones [12] de los haces de protones y antiprotones cada segundo, y se registraban hasta 500 colisiones por segundo para estudios posteriores. [13]
El DØ llevó a cabo sus estudios científicos en seis grupos de física: Higgs, Top, Electrodébil, Nuevos Fenómenos, QCD y Física B. En cada uno de ellos se lograron avances significativos. [14]
Uno de los primeros objetivos del experimento DØ fue descubrir el quark top, [15] el último de los seis constituyentes de la materia predichos por el Modelo Estándar de la física de partículas. Los experimentos DØ y CDF recopilaron datos para la búsqueda, pero utilizaron diferentes técnicas de observación y análisis que permitieron confirmar de forma independiente los hallazgos de cada uno.
El 24 de febrero de 1995, DØ y CDF presentaron artículos de investigación a Physical Review Letters describiendo la observación de pares de quarks top y antitop producidos a través de la interacción fuerte. [16] El 2 de marzo de 1995, las dos colaboraciones informaron conjuntamente el descubrimiento del quark top con una masa de aproximadamente175 GeV/ c 2 (casi la de un núcleo de oro). [17] [18] [19]
El 4 de marzo de 2009, las colaboraciones DØ y CDF anunciaron el descubrimiento de la producción de quarks top individuales mediante la interacción débil. Este proceso ocurre aproximadamente a la mitad de la velocidad de producción de pares de quarks top, pero es mucho más difícil de observar, ya que es más difícil distinguirlo de los procesos de fondo que pueden crear señales falsas. Los estudios de quarks top individuales se utilizaron para medir la vida útil de un quark top de aproximadamente 5 × 10 −25 segundos, medir el último elemento desconocido de la matriz CKM de mezcla intergeneracional de quarks y buscar nueva física más allá del Modelo Estándar. [20]
En más de cien publicaciones se han publicado mediciones precisas de las propiedades del quark top, como masa, carga, modos de desintegración, características de producción y polarización.
La Sociedad Europea de Física otorgó el Premio de Física de Partículas y Altas Energías de la Sociedad Europea de Física de 2019 a las colaboraciones DØ y CDF "por el descubrimiento del quark top y la medición detallada de sus propiedades". [21]
En años posteriores, uno de los principales objetivos físicos del experimento DØ fue la búsqueda del bosón de Higgs , cuya existencia había sido predicha por el Modelo Estándar , pero con una masa desconocida. [22] Antes de que concluyeran en 2000, los experimentos LEP en el CERN habían descartado la existencia de un bosón de Higgs con una masa menor que114,4 GeV/ c 2 . [23] En 2010, DØ y CDF ampliaron la región prohibida para incluir una ventana alrededor160 GeV/ c2 . [ 24]
El 2 de julio de 2012, anticipándose a un anuncio del CERN sobre el descubrimiento del bosón de Higgs, las colaboraciones DØ y CDF anunciaron su evidencia (en aproximadamente tres desviaciones estándar) de que los bosones de Higgs se desintegraban en los estados finales dominantes del quark b, lo que indicaba que la partícula tenía una masa entre 115 y 135 GeV/c 2 . [25] El 4 de julio de 2012, los experimentos ATLAS y CMS del CERN anunciaron su descubrimiento del bosón de Higgs con una masa de 125 GeV/c 2 . [26]
Las técnicas desarrolladas en el Tevatron para la búsqueda del bosón de Higgs sirvieron como trampolín para los análisis posteriores del LHC. [27]
Las propiedades de los bosones W y Z que transmiten la fuerza nuclear débil son indicadores sensibles de la consistencia interna del Modelo Estándar. En 2012, DØ midió la masa del bosón W con una precisión relativa mejor que el 0,03%, descartando muchos modelos potenciales de nueva física. [28]
Los experimentos DØ y CDF se combinaron para medir la asimetría hacia adelante y hacia atrás en las desintegraciones de los bosones Z (la tendencia de los leptones de desintegración positiva a emerger más cerca de la dirección del protón entrante con mayor frecuencia que los leptones de desintegración negativa). A partir de estas mediciones de asimetría, el ángulo de mezcla débil que rige la ruptura de la simetría electrodébil en fuerzas electromagnéticas y débiles distintas se midió con una precisión mejor que el 0,15 %. Este resultado tiene una precisión comparable a los experimentos de colisionadores de electrones y positrones en el CERN y el SLAC y ayuda a resolver una tensión de larga data entre esas mediciones. [29]
Aunque los experimentos de la fábrica B en KEK , SLAC e IHEP en Beijing y el experimento LHCb en el CERN han dominado muchos aspectos del estudio de los hadrones que contienen quarks b o c, DØ ha hecho contribuciones notables utilizando muestras grandes que contienen todos los hadrones de sabor pesado que pueden verse a través de sus desintegraciones en muones.
En julio de 2006, la colaboración DØ publicó la primera evidencia de la transformación del mesón B s (que contiene un antiquark b y un quark strange) en su antipartícula. La transición ocurre alrededor de 20 billones de veces por segundo. Si hubiera nuevas partículas además de las del Modelo Estándar, esta tasa se habría modificado. [30]
El 14 de mayo de 2010, la colaboración DØ anunció una tendencia a que los quarks b y anti-b producidos en colisiones protón-antiprotón den lugar a un par de muones con carga positiva con mayor frecuencia que a un par con carga negativa. [31] Esta tendencia, junto con las mediciones de asimetrías de muones individuales, podría ayudar a explicar la asimetría materia-antimateria responsable del predominio de la materia en el universo. [32] Sin embargo, los resultados experimentales de los físicos del Gran Colisionador de Hadrones han sugerido que "la diferencia con el Modelo Estándar es insignificante". [33]
El 12 de junio de 2007, la colaboración DØ presentó un artículo a Physical Review Letters anunciando el descubrimiento de una nueva partícula llamada Ξ b (pronunciado "zigh sub b") con una masa de5,774 ± 0,019 GeV/ c 2 , aproximadamente seis veces la masa de un protón. El barión Ξ b está formado por un quark down , un quark strange y un quark bottom , lo que lo convierte en el primer barión observado formado por quarks de las tres generaciones de materia. [34]
Las hipótesis originales sobre los quarks de Murray Gell-Mann y George Zweig indicaban que eran posibles los mesones exóticos que contenían dos quarks y dos antiquarks (en lugar de sólo un quark y un antiquark). Finalmente, 40 años después se observaron ejemplos en los que el mesón exótico contenía los quarks b y c más característicos y pesados. DØ ha aportado una nueva comprensión de estos estados exóticos de sabor pesado. [35]
La cromodinámica cuántica (QCD) es la teoría de la interacción fuerte, en la que los quarks y los gluones interactúan a través de una propiedad cuántica, análoga a la carga eléctrica para el electromagnetismo, llamada "color". La QCD hace predicciones cuantitativas para la producción de chorros (rocíos colimados de partículas evolucionadas a partir de quarks o gluones dispersos), fotones y bosones W o Z. DØ publicó una serie seminal de artículos que investigaban la producción de chorros como una función de la energía del haz, la energía del chorro y el ángulo de producción del chorro, en consonancia con las predicciones teóricas. Un resultado notable de DØ en 2012 fue la medición de chorros de energía muy alta producidos en grandes ángulos de dispersión. Esto ocurre cuando los quarks individuales llevan más de la mitad de la energía de su protón o antiprotón original, a pesar del hecho de que el protón y el antiprotón suelen estar formados por docenas de quarks y gluones. La medición estuvo en excelente acuerdo con las predicciones. En una serie de publicaciones en las que se observaron dos pares de chorros o fotones provenientes de dos dispersiones independientes de quarks y gluones dentro de un único encuentro protón-antiprotón, el patrón de estas tasas indicó que la extensión espacial de los gluones dentro del protón es menor que la de los quarks. [36]
El detector DØ estaba formado por varios "subdetectores", que se agrupaban en tres capas que rodeaban el punto de colisión. La capa más interna era el Sistema Central de Seguimiento, que consistía en detectores de seguimiento encerrados en un imán superconductor. Estos estaban rodeados por una segunda capa formada por calorímetros que medían la energía de los electrones, fotones y hadrones e identificaban "chorros" de partículas que surgían de quarks y gluones dispersos. La tercera capa, el sistema de muones, tenía cámaras de seguimiento y paneles de centelleo antes y después de magnetizar imanes de hierro sólido para identificar muones. Todo el detector estaba encerrado detrás de una pared de bloques de hormigón que actuaba como escudos de radiación. El detector medía unos 10 m × 10 m × 20 m y pesaba unas 5.500 toneladas. Se conserva en el Edificio de Ensamblaje DØ del Fermilab como parte de una exposición histórica pública. [37]
El sistema de seguimiento central tenía dos subdetectores para medir las posiciones de las pistas de partículas cargadas y un campo magnético para hacer que las pistas se doblaran, permitiendo así medir sus momentos.
El rastreador de microbandas de silicio estaba situado justo fuera de los conductos de los haces del Tevatron. Cinco barriles concéntricos con los haces y 16 discos con tiras perpendiculares a los haces proporcionaban mediciones precisas de las coordenadas de las trayectorias cargadas. Estas ayudaban a determinar los momentos de las partículas y a distinguir aquellas partículas que emergían del punto de colisión principal de aquellas que viajaban una distancia finita antes de desintegrarse, como los leptones tau y los hadrones que contenían quarks bottom. Consistía en unas 800.000 tiras de silicio de 50 micrones de ancho, capaces de medir la ubicación de las trayectorias con una precisión de aproximadamente 10 micrones. El radio exterior de los detectores de silicio estaba limitado a 10 cm debido a su alto coste. [38] El rastreador de microbandas de silicio se instaló en el detector para el programa del colisionador Tevatron Run II, que comenzó en 2001. [39] Estaba completamente funcional en abril de 2002. [40] [41]
Fuera del rastreador de silicio, el rastreador de fibra centelleante cilíndrica ocupaba la región radial entre 20 y 52 cm y 2,5 m a lo largo de la línea del haz. Las partículas atravesaban ocho capas de fibras centelleantes de 835 micrones de diámetro. Estas fibras producían fotones cuando una partícula pasaba a través de ellas. [42] La luz de cada una de las más de 75.000 fibras se transmitía a sensores de estado sólido que creaban señales electrónicas que se digitalizaban y registraban. La precisión espacial del rastreador de fibra era de aproximadamente 100 micrones. [43]
Un imán solenoide superconductor estaba ubicado justo afuera del rastreador de fibra y creó un campo magnético de 2 T en el volumen del rastreador de silicio y fibra. [44]
El sistema calorimétrico constaba de tres calorímetros de muestreo (un calorímetro central cilíndrico y dos calorímetros finales), un detector intercriostato y un detector de pre-lluvia. [45] La función de los calorímetros y los subdetectores asociados era la medición de las energías de los electrones, los fotones y los hadrones cargados y neutros. Esto se lograba cuando las partículas incidentes atravesaban múltiples capas de material inerte denso en las que interactuaban y creaban partículas secundarias. Todas esas partículas secundarias se denominan lluvia. La energía de la partícula progenitora se repartía entre muchas partículas de la lluvia de mucha menor energía que finalmente se detenían, momento en el que la lluvia terminaba. Entre las capas del material inerte había detectores en los que se medía la ionización de las partículas. La señal de ionización total sumada a lo largo de la lluvia es proporcional a la energía de la partícula progenitora. [46]
Se colocó una capa cilíndrica de tiras de pre-lluvia basadas en centelleadores inmediatamente fuera del solenoide y se leyeron con sensores de seguimiento de fibra. Detectores de pre-lluvia similares cubrieron los extremos de la región de seguimiento. El material en el solenoide aumentado con láminas de plomo hizo que los electrones y fotones primarios iniciaran una lluvia de partículas secundarias. El detector de pre-lluvia fue, por lo tanto, la primera etapa de la calorimetría y proporcionó una ubicación precisa del punto de impacto de la partícula.
Un calorímetro central en el exterior y dos calorímetros en los extremos que cubrían el solenoide contenían secciones separadas para medir partículas electromagnéticas y hadrones. Se eligió uranio para las placas absorbentes inertes debido a su altísima densidad. Los huecos activos contenían argón líquido con un fuerte campo eléctrico aplicado para recoger la ionización de las partículas que pasaban por planos finamente segmentados de electrodos de cobre. Estas señales se agruparon en 50.000 señales que medían las energías de las partículas y las formas transversales y longitudinales de la lluvia de partículas, lo que ayudaba a identificar el tipo de partícula. Cada calorímetro contenía unos sesenta módulos de uranio-argón líquido con un peso total de 240 a 300 toneladas métricas. El espesor total de un calorímetro era de unos 175 cm para absorber por completo la lluvia de partículas más energéticas de una colisión. Los recipientes de acero inoxidable necesarios para contener los módulos a la temperatura del argón líquido (-190 C) eran relativamente gruesos, por lo que se insertaron detectores de centelleo entre los calorímetros central y final para corregir la energía perdida en las paredes del criostato.
Una de las principales tareas de la calorimetría es la identificación de chorros, los chorros de partículas que se forman cuando los quarks y los gluones escapan de su punto de colisión. La identificación de los chorros y la medición de sus direcciones y energías permiten realizar análisis para recrear los momentos de los quarks y los gluones subyacentes en la colisión primaria. [47]
La capa más externa del detector se utilizó para la detección de muones . Los muones de alta energía son bastante raros y, por lo tanto, son un signo revelador de colisiones interesantes. A diferencia de la mayoría de las partículas, no fueron absorbidos por los calorímetros, por lo que las huellas observadas más allá de los calorímetros probablemente eran muones. Los planos de centelleo proporcionaron una señal rápida que se utilizó para marcar eventos interesantes. Una estación de cámaras de seguimiento antes y dos estaciones después de los imanes de hierro sólido registran las huellas de los muones. El hierro del gran imán central se recuperó de un ciclotrón de la NASA construido para simular daños por radiación en el espacio. [48] [49]
En el detector se producían aproximadamente 10 millones de colisiones protón-antiprotón cada segundo. Como esto superaba con creces las capacidades informáticas, solo se podía almacenar en cinta una fracción de estos eventos por segundo. Por lo tanto, se implementó un intrincado sistema de adquisición de datos (DAQ) que determinaba qué eventos eran lo suficientemente "interesantes" como para ser grabados en cinta y cuáles podían descartarse. [50] [51] El sistema de activación utilizaba las señales electrónicas para identificar eventos de interés, como los que contenían electrones, muones, fotones, chorros de alta energía o partículas que viajaban cierta distancia antes de desintegrarse. El primer nivel de activación utilizaba las rápidas señales electrónicas de cada subdetector para decidir en unos pocos microsegundos si se debía pausar la toma de datos y digitalizar las señales. Se aceptaron alrededor de 10 000 de estos activadores de nivel 1. Un segundo nivel de activación refinó la selección utilizando las señales digitalizadas de varios subdetectores en combinación para formar un perfil de eventos más matizado, reduciendo el grupo de eventos candidatos a 1000 eventos por segundo. En el tercer nivel, una granja de computadoras analizaba la información digital en una versión simplificada del código informático completo fuera de línea para producir hasta 100 eventos por segundo que se registrarían de forma permanente y se analizarían posteriormente en grandes granjas de computadoras fuera de línea. El funcionamiento del sistema de activación era un delicado equilibrio entre maximizar la cantidad de eventos guardados y minimizar el tiempo muerto incurrido mientras se recopilaban. Tenía que ser robusto y confiable, ya que los millones de eventos no seleccionados por el activador se perdían para siempre. [52]