El proyecto experimental Collider Detector at 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 forman el universo y comprender las fuerzas e interacciones entre esas partículas.
El CDF es una colaboración internacional que, en su apogeo, contaba con unos 600 físicos [1] (de unas 30 universidades estadounidenses y laboratorios nacionales 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 en sí pesaba unas 5000 toneladas [3] y medía unos 12 metros en las tres dimensiones. El objetivo del experimento es medir eventos excepcionales de los miles de millones de colisiones de partículas para:
El Tevatron hizo colisionar protones y antiprotones a una energía en el centro de masas de aproximadamente 2 TeV. La altísima energía disponible para estas colisiones hizo posible 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 se identificaron a través de sus desintegraciones características. [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 energía faltante . [5]
Hay otro experimento similar al CDF llamado DØ que tenía un detector ubicado en otro punto del anillo del Tevatron.
En el Tevatron del Fermilab había dos detectores de partículas : el CDF y el DØ. El CDF fue el primer detector del Tevatron antes que el DØ. Los orígenes del CDF se remontan a 1976, cuando el Fermilab creó el Departamento de haces en colisión bajo la dirección 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 en colisión bajo la dirección de Alvin Tollestrup . En 1980, Roy Schwitters se convirtió en director asociado del CDF 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 inauguró 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 en el 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 de la Ejecución I incluyeron la adición de un detector de vértices de silicio (el primer detector de este tipo que se instaló en un experimento de colisionador de hadrones), [7] mejoras en el sistema central de muones, la adición de un sistema de seguimiento de vértices, la adición de cámaras prerradiadora centrales y mejoras en la electrónica de lectura y los sistemas informáticos. [8] La Ejecución II incluyó actualizaciones en el sistema central de seguimiento, detectores de preshower y una ampliación de la cobertura de muones. [9]
El CDF tomó datos hasta que se cerró el Tevatron en 2011, pero los científicos del CDF continúan analizando los datos recopilados por el experimento. [10]
Uno de los descubrimientos más famosos de CDF 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 Úpsilon en Fermilab en 1977, que se descubrió que consistía en un quark bottom y un antiquark bottom. 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 up y down, los quarks de segunda generación son strange y charm, y los de tercera generación son top y bottom. La existencia del quark bottom solidificó la convicción de los físicos de que el quark top existía. [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 otros quarks varían de 0,005 GeV (quark up) a 4,7 GeV (quark bottom), el quark top tiene una masa de 175 GeV. [14] Sólo el Tevatron de Fermilab tenía la capacidad energética para producir y detectar pares top anti-top. La gran masa del quark top hizo que el quark top 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 top puede desintegrarse leptónicamente en un quark bottom y un bosón W. Este bosón W puede luego desintegrarse en un leptón y un neutrino (t→Wb→ѵlb). Por lo tanto, CDF trabajó para reconstruir eventos top, buscando específicamente evidencia de quarks bottom, bosones W y neutrinos. Finalmente, en febrero de 1995, CDF tuvo suficiente evidencia para decir que habían "descubierto" el quark top. [15] El 24 de febrero, los investigadores de CDF y DØ enviaron simultáneamente artículos a Physical Review Letters en los que describían la observación del quark top. Las dos colaboraciones anunciaron el descubrimiento públicamente 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 top 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 había logrado la medición más precisa del mundo mediante un único experimento de la masa del bosón W. Esto proporcionó nuevas restricciones sobre la posible masa del entonces no descubierto bosón de Higgs . [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 hasta la fecha de la masa del bosón W y descubrieron que su masa real era significativamente mayor que la masa predicha por el Modelo Estándar y las masas que se habían medido antes. [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 del CDF también descubrieron otras partículas, entre ellas el mesón B-sub-c [24] (anunciado el 5 de marzo de 1998); los bariones sigma-sub-b, bariones que consisten en dos quarks up y un quark bottom y en dos quarks down y un quark bottom (anunciados el 23 de octubre de 2006); [25] los bariones cascada-b, que consisten en un quark down, un strange y un bottom (descubiertos conjuntamente con DØ y anunciados el 15 de junio de 2007); [26] y los bariones omega-sub-b, que consisten en dos quarks strange y un quark bottom (anunciados en junio de 2009). [27]
Para que los físicos puedan comprender los datos correspondientes a cada evento, deben comprender los componentes del detector CDF y cómo funciona el detector. Cada componente afecta la apariencia que tendrán los datos. Hoy, el detector de 5000 toneladas se encuentra en B0 y analiza millones de colisiones de haces 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, lo que brinda a los físicos la oportunidad de "ver" y estudiar las partículas individuales.
El CDF se puede dividir en capas de la siguiente manera:
El tubo de rayos es la capa más interna de la CDF. El tubo de rayos es donde los protones y antiprotones, que viajan a aproximadamente 0,99996 c, chocan de frente. 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 quarks top 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 las partículas cargadas a medida que pasan 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 está compuesto por 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 un vértice y seguimiento 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 las capas están protegidas de los daños causados por la radiactividad. [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 tres dimensiones. El detector de silicio tiene una resolución de impacto 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 siguió 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 momento 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 se encuentra dentro de un campo magnético. Sin embargo, el COT no está hecho de silicio. El silicio es tremendamente caro y no es práctico comprarlo en grandes cantidades. El COT es una cámara de gas llena de decenas de miles de cables de oro dispuestos en capas y gas argón. En el COT se utilizan dos tipos de cables: cables sensores y cables de campo. Los cables sensores son más delgados y atraen los electrones que libera el gas argón al ionizarse. Los cables de campo son más gruesos que los cables sensores y atraen los iones positivos formados a partir de la liberación de electrones. [29] Hay 96 capas de cable y cada cable está colocado aproximadamente a 3,86 mm de distancia entre sí. [9] Al igual que en el detector de silicio, cuando una partícula cargada pasa a través de la cámara, ioniza el gas. Esta señal luego se transmite a un cable cercano, que luego se lleva 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, tiene una resolución de posición de impacto de 140 μm y una resolución de momento 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 sea la curvatura, menor será el momento 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 corrientes altas con un calentamiento mínimo y una eficiencia muy alta, y crea un campo magnético poderoso. [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. La CDF utiliza dos tipos de calorímetros: calorímetros electromagnéticos y calorímetros hadrónicos. El calorímetro electromagnético mide la energía de las partículas de luz 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 in) de ancho. El plomo se utiliza para detener las partículas a medida que pasan a través del calorímetro y el centelleador se utiliza para cuantificar la energía de las partículas. El calorímetro hadrónico funciona de la misma manera, excepto que el calorímetro hadrónico 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 una longitud de aproximadamente 2,4 m (8 pies) y están dispuestas alrededor del solenoide. [29]
La "capa" final del detector está formada por los detectores de muones. Los muones son partículas cargadas que pueden producirse cuando las partículas pesadas se desintegran. Estas partículas de alta energía apenas interactúan, por lo que los detectores de muones están colocados estratégicamente en la capa más alejada del tubo de haz, detrás de grandes paredes de acero. El acero garantiza que solo partículas de energía extremadamente alta, como neutrinos y muones, pasen a través de 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 el COT. Están llenas de gas y alambre. Los muones cargados ionizan el gas y la señal se transmite a la lectura por los alambres. [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 utilizados para obligar a las partículas a interactuar, lo que permite a los físicos "ver" la presencia de una determinada partícula. Si un quark cargado pasa por el detector, la evidencia de este quark será una trayectoria curva en el detector de silicio y la energía depositada por el COT en el calorímetro. Si una partícula neutra, como un neutrón, pasa por el detector, no habrá una trayectoria en el detector de COT y silicio, sino energía depositada en el calorímetro hadrónico. Los muones pueden aparecer en el detector de COT y silicio y como energía depositada en los detectores de muones. Del mismo modo, un neutrino, que rara vez interactúa, se expresará solo en forma de energía faltante.