La colaboración experimental del Collider Detector en Fermilab ( CDF ) estudia las colisiones de partículas de alta energía del Tevatron , el antiguo acelerador de partículas de mayor energía del mundo . El objetivo es descubrir la identidad y las propiedades de las partículas que componen el universo y comprender las fuerzas y las interacciones entre esas partículas.
CDF es una colaboración internacional que, en su apogeo, estaba formada por unos 600 físicos [1] (de unas 30 universidades y laboratorios nacionales estadounidenses y unos 30 grupos de universidades y laboratorios nacionales de Italia , Japón , Reino Unido , Canadá , Alemania , España , Rusia , Finlandia , Francia , Taiwán , Corea y Suiza ). [2] El detector CDF pesaba alrededor de 5000 toneladas [3] y medía unos 12 metros en las tres dimensiones. El objetivo del experimento es medir eventos excepcionales entre miles de millones de colisiones de partículas para:
El Tevatron hizo colisionar protones y antiprotones con una energía de centro de masa de aproximadamente 2 TeV. La altísima energía disponible para estas colisiones permitió producir partículas pesadas como el quark top y los bosones W y Z, que pesan mucho más que un protón (o antiprotón ). Estas partículas más pesadas fueron identificadas a través de sus características desintegraciones. [4] El aparato CDF registró las trayectorias y energías de electrones, fotones y hadrones ligeros . Los neutrinos no se registraron en el aparato, lo que provocó una aparente falta de energía . [5]
Hay otro experimento similar al CDF llamado DØ que tenía un detector ubicado en otro punto del anillo Tevatron.
Había dos detectores de partículas ubicados en el Tevatron del Fermilab : CDF y DØ. CDF fue anterior a DØ como el primer detector en el Tevatron. Los orígenes de CDF se remontan a 1976, cuando Fermilab estableció el Departamento de Vigas en Colisión bajo el liderazgo de Jim Cronin . Este departamento se centró en el desarrollo tanto del acelerador que produciría haces de partículas en colisión como del detector que analizaría esas colisiones. Cuando el laboratorio disolvió este departamento a finales de 1977, creó el Departamento de instalaciones de detectores de colisiones bajo la dirección de Alvin Tollestrup . En 1980, Roy Schwitters se convirtió en director asociado de la FCD y el KEK en Japón y el Laboratorio Nacional de Frascati en Italia se unió a la colaboración. La colaboración completó un informe de diseño conceptual para CDF en el verano de 1981, y la construcción de la sala de colisiones comenzó el 1 de julio de 1982. El laboratorio instaló el detector CDF el 11 de octubre de 1985, y CDF observó las primeras colisiones protón-antiprotón del Tevatron. el 13 de octubre de 1985. [6]
A lo largo de los años, se realizaron dos actualizaciones importantes al CDF. La primera actualización comenzó en 1989 y la segunda en 2001. Cada actualización se consideró una "ejecución". La ejecución 0 fue la ejecución anterior a cualquier actualización (1988-1989), la ejecución I fue posterior a la primera actualización y la ejecución II fue posterior a la segunda actualización. Las actualizaciones para Run I incluyeron la adición de un detector de vértices de silicio (el primer detector de este tipo que se instala en un experimento de colisionador de hadrones), [7] mejoras al sistema central de muones, la adición de un sistema de seguimiento de vértices, la adición de cámaras previas al radiador y mejoras en la electrónica de lectura y los sistemas informáticos. [8] Run II incluyó actualizaciones en el sistema de seguimiento central, detectores previos a la lluvia y extensión de la cobertura de muones. [9]
La FCD tomó datos hasta que se cerró el Tevatron en 2011, pero los científicos de la FCD continúan analizando los datos recopilados por el experimento. [10]
Uno de los descubrimientos más famosos de la FCD es la observación del quark top en febrero de 1995. [11] La existencia del quark top se planteó como hipótesis después de la observación del Upsilon en el Fermilab en 1977, que se descubrió que estaba formado por un quark inferior y un quark inferior. quark anti-fondo. El Modelo Estándar , la teoría más aceptada que describe las partículas y sus interacciones, predijo la existencia de tres generaciones de quarks. [12] Los quarks de primera generación son los quarks arriba y abajo, los quarks de segunda generación son extraños y encantadores, y los de tercera generación son los superiores y los inferiores. La existencia del quark inferior solidificó la convicción de los físicos de que existía el quark superior. [13] El quark top fue el último de los quarks en ser observado, principalmente debido a su masa comparativamente alta. Mientras que las masas de los demás quarks oscilan entre 0,005 GeV (quark superior) y 4,7 GeV (quark inferior), el quark superior tiene una masa de 175 GeV. [14] Sólo el Tevatron de Fermilab tenía la capacidad energética para producir y detectar pares anti-top superiores. La gran masa del quark top hizo que éste se desintegrara casi instantáneamente, en el orden de 10 −25 segundos, lo que lo hacía extremadamente difícil de observar. El modelo estándar predice que el quark superior puede desintegrarse leptónicamente en un quark inferior y un bosón W. Este bosón W puede luego descomponerse en un leptón y un neutrino (t→Wb→ѵlb). Por lo tanto, CDF trabajó para reconstruir eventos superiores, buscando específicamente evidencia de quarks inferiores, bosones W y neutrinos. Finalmente, en febrero de 1995, la FCD tenía pruebas suficientes para decir que habían "descubierto" el quark top. [15] El 24 de febrero, los experimentadores de CDF y DØ enviaron simultáneamente artículos a Physical Review Letters describiendo la observación del quark top. Las dos colaboraciones anunciaron públicamente el descubrimiento en un seminario en Fermilab el 2 de marzo y los artículos se publicaron el 3 de abril. [16]
En 2019, la Sociedad Europea de Física otorgó el Premio de Física de Partículas y Altas Energías de la Sociedad Europea de Física 2019 a las colaboraciones CDF y DØ "por el descubrimiento del quark superior y la medición detallada de sus propiedades". [17]
El 25 de septiembre de 2006, la colaboración CDF anunció que habían descubierto que el mesón B-sub-s oscila rápidamente entre materia y antimateria a una velocidad de 3 billones de veces por segundo, un fenómeno llamado oscilación B-Bbar . [18]
El 8 de enero de 2007, la colaboración CDF anunció que habían logrado la medición más precisa del mundo mediante un único experimento de la masa del bosón W. Esto proporcionó nuevas limitaciones sobre la posible masa del bosón de Higgs , entonces no descubierto . [19] [20]
El 7 de abril de 2022, la colaboración CDF anunció en un artículo publicado en la revista Science que habían realizado la medición más precisa jamás realizada de la masa del bosón W y descubrieron que su masa real era significativamente mayor que la masa predicha por el Estándar. Modelo y las masas que se habían medido anteriormente. [21] En 2023, el experimento ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones publicó una medición mejorada de la masa del bosón W, 80.360 ± 16 MeV, que se alineaba con las predicciones del Modelo Estándar. [22] [23]
Los científicos de la FCD también descubrieron varias otras partículas, incluido el mesón B-sub-c [24] (anunciado el 5 de marzo de 1998); bariones sigma-sub-b, bariones que constan de dos quarks arriba y un quark abajo y de dos quarks abajo y un quark abajo (anunciados el 23 de octubre de 2006); [25] bariones en cascada-b, que consisten en un quark down, un extraño y un bottom (descubiertos conjuntamente con DØ y anunciados el 15 de junio de 2007); [26] y bariones omega-sub-b, que consisten en dos quarks extraños y un quark inferior (anunciado en junio de 2009). [27]
Para que los físicos comprendan los datos correspondientes a cada evento, deben comprender los componentes del detector CDF y cómo funciona el detector. Cada componente afecta el aspecto que tendrán los datos. Actualmente, el detector de 5.000 toneladas se encuentra en B0 y analiza millones de colisiones de rayos por segundo. [28] El detector está diseñado en muchas capas diferentes. Cada una de estas capas trabaja simultáneamente con los otros componentes del detector en un esfuerzo por interactuar con las diferentes partículas, dando así a los físicos la oportunidad de "ver" y estudiar las partículas individuales.
CDF se puede dividir en capas de la siguiente manera:
El tubo de la viga es la capa más interna de CDF. El tubo del haz es donde los protones y antiprotones, que viajan a aproximadamente 0,99996 c, chocan frontalmente. Cada uno de los protones se mueve extremadamente cerca de la velocidad de la luz con energías extremadamente altas. En una colisión, gran parte de la energía se convierte en masa. Esto permite que la aniquilación protón/antiprotón produzca partículas hijas, como los top quarks con una masa de 175 GeV, mucho más pesadas que los protones originales. [29]
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Alrededor del tubo del haz se encuentra el detector de silicio. Este detector se utiliza para rastrear la trayectoria de partículas cargadas a medida que viajan a través del detector. El detector de silicio comienza en un radio de r = 1,5 cm desde la línea del haz y se extiende hasta un radio de r = 28 cm desde la línea del haz. [9] El detector de silicio se compone de siete capas de silicio dispuestas en forma de barril alrededor del tubo del haz. El silicio se utiliza a menudo en detectores de partículas cargadas debido a su alta sensibilidad, lo que permite seguimiento y vértices de alta resolución. [30] La primera capa de silicio, conocida como Capa 00, es un detector de una sola cara diseñado para separar la señal del fondo incluso bajo radiación extrema. Las capas restantes son de doble cara y resistentes a la radiación, lo que significa que están protegidas contra daños causados por la radioactividad. [9] El silicio funciona para rastrear las trayectorias de las partículas cargadas a medida que pasan a través del detector ionizando el silicio. La densidad del silicio, junto con la baja energía de ionización del silicio, permite que las señales de ionización viajen rápidamente. [30] A medida que una partícula viaja a través del silicio, su posición se registrará en 3 dimensiones. El detector de silicio tiene una resolución de impacto de pista de 10 μm y una resolución de parámetro de impacto de 30 μm. [9] Los físicos pueden observar este rastro de iones y determinar el camino que tomó la partícula. [29] Como el detector de silicio está ubicado dentro de un campo magnético, la curvatura del camino a través del silicio permite a los físicos calcular el momento de la partícula. Más curvatura significa menos impulso y viceversa.
Fuera del detector de silicio, el rastreador exterior central funciona de manera muy similar al detector de silicio, ya que también se utiliza para rastrear las trayectorias de partículas cargadas y también está ubicado dentro de un campo magnético. El COT, sin embargo, no está fabricado de silicona. El silicio es tremendamente caro y no resulta práctico comprarlo en cantidades extremas. COT es una cámara de gas llena de decenas de miles de hilos de oro dispuestos en capas y gas argón. En el COT se utilizan dos tipos de cables: cables de detección y cables de campo. Los cables sensoriales son más delgados y atraen los electrones que libera el gas argón cuando se ioniza. Los cables de campo son más gruesos que los cables de detección y atraen los iones positivos formados por la liberación de electrones. [29] Hay 96 capas de alambre y cada alambre se coloca aproximadamente a 3,86 mm de distancia entre sí. [9] Como en el detector de silicio, cuando una partícula cargada pasa a través de la cámara ioniza el gas. Luego, esta señal se transmite a un cable cercano, que luego se transmite a las computadoras para su lectura. El COT tiene aproximadamente 3,1 m de largo y se extiende desde r = 40 cm hasta r = 137 cm. Aunque el COT no es tan preciso como el detector de silicio, el COT tiene una resolución de posición de impacto de 140 μm y una resolución de impulso de 0,0015 (GeV/c) −1 . [9]
El imán del solenoide rodea tanto el COT como el detector de silicio. El propósito del solenoide es doblar la trayectoria de las partículas cargadas en el COT y el detector de silicio creando un campo magnético paralelo al haz. [9] El solenoide tiene un radio de r = 1,5 m y una longitud de 4,8 m. La curvatura de la trayectoria de las partículas en el campo magnético permite a los físicos calcular el momento de cada una de las partículas. Cuanto mayor es la curvatura, menor es el impulso y viceversa. Debido a que las partículas tienen una energía tan alta, se necesita un imán muy fuerte para doblar las trayectorias de las partículas. El solenoide es un imán superconductor enfriado por helio líquido. El helio reduce la temperatura del imán a 4,7 K o −268,45 °C, lo que reduce la resistencia a casi cero, lo que permite que el imán conduzca altas corrientes con un calentamiento mínimo y una eficiencia muy alta, y crea un potente campo magnético. [29]
Los calorímetros cuantifican la energía total de las partículas convirtiendo la energía de las partículas en luz visible a través de centelleadores de poliestireno. CDF utiliza dos tipos de calorímetros: calorímetros electromagnéticos y calorímetros hadrónicos. El calorímetro electromagnético mide la energía de las partículas ligeras y el calorímetro hadrónico mide la energía de los hadrones. [29] El calorímetro electromagnético central utiliza láminas alternas de plomo y centelleador. Cada capa de plomo tiene aproximadamente 20 mm ( 3 ⁄ 4 pulgadas) de ancho. El plomo se utiliza para detener las partículas a medida que pasan por el calorímetro y el centelleador se utiliza para cuantificar la energía de las partículas. El calorímetro hadrónico funciona de manera muy similar, excepto que utiliza acero en lugar de plomo. [9] Cada calorímetro forma una cuña, que consta de un calorímetro electromagnético y un calorímetro hadrónico. Estas cuñas tienen aproximadamente 2,4 m (8 pies) de largo y están dispuestas alrededor del solenoide. [29]
La "capa" final del detector está formada por detectores de muones. Los muones son partículas cargadas que pueden formarse cuando se desintegran partículas pesadas. Estas partículas de alta energía apenas interactúan, por lo que los detectores de muones están ubicados estratégicamente en la capa más alejada del tubo del haz, detrás de grandes paredes de acero. El acero garantiza que sólo partículas de muy alta energía, como neutrinos y muones, pasen a las cámaras de muones. [29] Hay dos aspectos de los detectores de muones: las cámaras de deriva planas y los centelleadores. Hay cuatro capas de cámaras de deriva planas, cada una con la capacidad de detectar muones con un momento transversal p T > 1,4 GeV/c. [9] Estas cámaras de deriva funcionan de la misma manera que las COT. Están llenos de gas y alambre. Los muones cargados ionizan el gas y la señal se transmite a través de cables. [29]
Comprender los diferentes componentes del detector es importante porque el detector determina cómo se verán los datos y qué señal se puede esperar ver para cada partícula. Un detector es básicamente un conjunto de obstáculos que se utilizan para obligar a las partículas a interactuar, permitiendo a los físicos "ver" la presencia de una determinada partícula. Si un quark cargado pasa a través del detector, la evidencia de este quark será una trayectoria curva en el detector de silicio y COT depositará energía en el calorímetro. Si una partícula neutra, como un neutrón, pasa a través del detector, no habrá rastro en el COT ni en el detector de silicio, sino que se depositará energía en el calorímetro hadrónico. Los muones pueden aparecer en el detector COT y de silicio y como energía depositada en los detectores de muones. Del mismo modo, un neutrino, que rara vez interactúa, se expresará sólo en forma de energía faltante.