El experimento DØ (a veces escrito experimento D0 , o experimento DZero ) fue una colaboración mundial de científicos que realizaban 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 se apagó, [2] pero el análisis de datos aún está en curso. El detector DØ se conserva en el edificio de ensamblaje DØ del Fermilab como parte de una exhibición histórica para visitas públicas. [3]
La investigación de DØ se centra en estudios precisos de las interacciones de protones y antiprotones en las energías más altas disponibles. Estas colisiones resultan en "eventos" que contienen muchas partículas nuevas creadas mediante la transformación de energía en masa según la relación E=mc 2 . 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 "modesto detector construido por un grupo de tamaño modesto" que se ubicaría en la región de interacción 'DØ' en el anillo Tevatron y complementaría el detector de colisionador planeado en 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 y se colocó en el Tevatron en febrero. 1992, y observó su primera colisión en mayo de 1992. [6] [7] Registró datos desde 1992 hasta 1996, cuando se cerró para realizar mejoras importantes. Su segunda ejecución comenzó en 2001 y duró hasta septiembre de 2011. A partir de 2019, el análisis de datos aún continúa. [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 circulan en el Tevatron para probar muchos aspectos del modelo estándar de física de partículas .
El detector DØ constaba de varios grupos de subdetectores anidados que rodeaban la región donde colisionaban los protones y antiprotones del haz. Los subdetectores proporcionaron más de un millón de canales electrónicos [11] que se recopilaron, digitalizaron y registraron para análisis fuera de línea. Cada segundo se inspeccionaron alrededor de 10 millones de colisiones [12] de haces de protones y antiprotones, y se registraron hasta 500 colisiones por segundo para estudios posteriores. [13]
DØ llevó a cabo sus estudios científicos dentro de seis grupos de física: Higgs, Top, Electrodébil, Nuevos fenómenos, QCD y B Physics. 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 física de partículas. Los experimentos DØ y CDF recopilaron datos para la búsqueda, pero utilizaron diferentes técnicas de observación y análisis que permitieron la confirmación independiente de los hallazgos de cada uno.
El 24 de febrero de 1995, DØ y CDF presentaron trabajos de investigación a Physical Review Letters describiendo la observación de pares de quarks top y antitop producidos mediante la interacción fuerte. [16] El 2 de marzo de 1995, las dos colaboraciones informaron conjuntamente del descubrimiento del quark top con una masa de aproximadamente175 GeV/ c 2 (casi el 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 superiores individuales a través de la interacción débil. Este proceso ocurre aproximadamente a la mitad del ritmo que la producción de pares de quarks superiores, 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 un solo quark superior se utilizaron para medir la vida útil del quark superior 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 informaron mediciones de precisión de las propiedades del quark superior, 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 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 se predijo según el modelo estándar , pero con una masa desconocida. [22] Antes de concluir en 2000, los experimentos LEP en el CERN habían descartado la existencia de un bosón de Higgs con una masa menor que114,4 GeV / c2 . [23] En 2010, DØ y CDF ampliaron la región prohibida para incluir una ventana alrededor160 GeV / c2 . [24]
El 2 de julio de 2012, anticipando 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 descomponen en los estados finales dominantes del quark b, lo que indicaba que el 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 el 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 de trampolín para 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 superior al 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 entrante del protón con más frecuencia que los leptones de desintegración negativa). A partir de estas mediciones de asimetría, se midió con una precisión superior al 0,15% el ángulo de mezcla débil que rige la ruptura de la simetría electrodébil en fuerzas electromagnéticas y débiles distintas. Este resultado tiene una precisión comparable a los experimentos del colisionador de electrones y positrones en el CERN y 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 hadrones que contienen quarks b o c, DØ ha hecho contribuciones notables utilizando muestras grandes que contienen todos los hadrones de sabor pesado. eso se puede ver 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 anti-quark b y un quark extraño) en su antipartícula. La transición ocurre unos 20 billones de veces por segundo. Si hubiera nuevas partículas más allá de las del Modelo Estándar, esta tasa se habría modificado. [30]
El 14 de mayo de 2010, la colaboración DØ anunció una tendencia de los quarks b y anti-b producidos en colisiones protón-antiprotón a dar lugar a un par de muones cargados positivamente con más frecuencia que a un par cargado negativamente. [31] Esta tendencia, junto con las mediciones de las asimetrías de un solo muón, podría ayudar a explicar la asimetría materia-antimateria responsable del predominio de la materia en el universo. [32] Sin embargo, los resultados experimentales de físicos en el 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 (pronunciada "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 abajo , un extraño y un fondo , 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 señalaron que son posibles mesones exóticos que contengan dos quarks y dos antiquarks (en lugar de sólo un quark y un antiquark). Finalmente se observaron ejemplos 40 años después en casos en los que el mesón exótico contenía los quarks b y c pesados más distintivos. DØ ha aportado una nueva comprensión de estos estados exóticos de sabor intenso. [35]
La cromodinámica cuántica (QCD) es la teoría de la interacción fuerte, en la que quarks y gluones interactúan a través de una propiedad cuántica, análoga a la carga eléctrica para el electromagnetismo, llamada "color". QCD hace predicciones cuantitativas para la producción de chorros (pulverizaciones colimadas de partículas evolucionadas a partir de quarks o gluones dispersos), fotones y bosones W o Z. D0 publicó una serie fundamental de artículos que investigan la producción de chorros en función de la energía del haz, la energía del chorro y el ángulo de producción del chorro, de acuerdo con las predicciones teóricas. Un resultado digno de mención del DØ en 2012 fue la medición de chorros de muy alta energía producidos con grandes ángulos de dispersión. Esto ocurre cuando los quarks individuales transportan más de la mitad de la energía de su protón o antiprotón, a pesar 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 procedentes de dos dispersiones independientes de quarks y gluones dentro de un único encuentro protón-antiprotón, el patrón de estas velocidades indicó que la extensión espacial de los gluones dentro del protón es menor que eso para los quarks. [36]
El detector DØ constaba de varios "subdetectores", que estaban agrupados en tres capas que rodeaban el punto de colisión. La capa más interna era el Sistema de Seguimiento Central, que constaba de detectores de seguimiento encerrados en un imán superconductor. Estos estaban rodeados por una segunda capa que constaba de calorímetros que medían la energía de 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 centelleadores 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 escudo contra la radiación. El detector medía unos 10 mx 10 mx 20 my pesaba unas 5.500 toneladas. Se conserva en el edificio de asambleas DØ del Fermilab como parte de una exhibición 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 microcintas de silicio estaba ubicado justo afuera de los tubos del haz Tevatron. Cinco barriles concéntricos con las vigas y 16 discos con tiras perpendiculares a las vigas proporcionaron mediciones precisas de las coordenadas de la pista cargada. Estos ayudaron a determinar los momentos de las partículas y a distinguir las partículas que emergieron del punto de colisión principal de las que viajaron una distancia finita antes de desintegrarse, como los leptones tau y los hadrones que contienen quarks inferiores. Constaba de unas 800.000 tiras de silicio de 50 micras de ancho, capaces de medir la ubicación de la vía con una precisión de unas 10 micras. El radio exterior de los detectores de silicio estaba limitado a 10 cm debido a su elevado coste. [38] El rastreador de microcinta de silicio se instaló en el detector del programa colisionador Tevatron Run II, que comenzó en 2001. [39] Estaba completamente funcional en abril de 2002. [40] [41]
Fuera del seguidor de silicio, el seguidor cilíndrico de fibra centelleante ocupaba la región radial entre 20 y 52 cm y 2,5 m a lo largo de la línea del haz. Las partículas atravesaron ocho capas de fibras centelleantes de 835 micrones de diámetro. Estas fibras producían fotones cuando una partícula las atravesaba. [42] La luz de cada una de las más de 75.000 fibras se transmitió a sensores de estado sólido que crearon señales electrónicas que se digitalizaron y registraron. La precisión espacial del rastreador de fibra fue de aproximadamente 100 micrones. [43]
Un imán solenoide superconductor colocado justo fuera del rastreador de fibra 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 previo a la ducha. [45] El trabajo de los calorímetros y subdetectores asociados era la medición de energías de electrones, fotones y hadrones cargados y neutros. Esto se logró cuando las partículas incidentes atravesaron múltiples capas de material inerte denso en el que interactuaron y crearon partículas secundarias. Todas estas partículas secundarias se denominan lluvia. La energía de la partícula progenitora se compartió entre muchas partículas de lluvia de energía mucho más baja que finalmente se detuvieron, momento en el que terminó la lluvia. Entre las capas del material inerte se encontraban detectores en los que se medía la ionización de las partículas. La señal de ionización total sumada a la lluvia es proporcional a la energía de la partícula progenitora. [46]
Una capa cilíndrica de tiras previas a la ducha basadas en centelleadores se colocó inmediatamente fuera del solenoide y se leyó con sensores de seguimiento de fibra. Detectores previos a la ducha similares taparon los extremos de la región de seguimiento. El material del solenoide reforzado con láminas de plomo provocó que los electrones y fotones primarios comenzaran una lluvia de partículas secundarias. El detector previo a la ducha fue, por tanto, la primera etapa de la calorimetría y proporcionó una localización precisa del punto de impacto de las partículas.
Un calorímetro central en el exterior y dos calorímetros finales que tapaban 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 espacios activos contenían argón líquido al que se aplicaba un potente campo eléctrico para recoger la ionización de las partículas transversales en planos finamente segmentados de electrodos de cobre. Estas señales se agruparon en 50.000 señales que midieron las energías de las partículas y las formas de lluvia transversales y longitudinales que ayudaron a identificar el tipo de partícula. Cada calorímetro contenía alrededor de sesenta módulos de uranio líquido y argón con un peso total de 240 a 300 toneladas métricas. El espesor total del calorímetro era de unos 175 cm para absorber completamente la lluvia de las partículas más energéticas resultantes 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 tarea principal de la calorimetría es la identificación de chorros, es decir, aerosoles de partículas creadas cuando los quarks y 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 gluones subyacentes en la colisión primaria. [47]
La capa más externa del detector estaba destinada a la detección de muones . Los muones de alta energía son bastante raros y, por tanto, son un signo revelador de colisiones interesantes. A diferencia de la mayoría de las partículas, no fueron absorbidas por los calorímetros, por lo que las huellas observadas más allá de los calorímetros probablemente eran muones. Los aviones centelleantes proporcionaron una firma rápida utilizada para señalar 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 fue recuperado de un ciclotrón de la NASA construido para simular daños por radiación en el espacio. [48] [49]
En el detector se produjeron aproximadamente 10 millones de colisiones protón-antiprotón cada segundo. Debido a que esto excedía con creces las capacidades informáticas, sólo una fracción de estos eventos podía almacenarse en cinta 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 grabarlos en cinta y cuáles podían descartarse. [50] [51] El sistema de activación utilizó señales electrónicas para identificar eventos de interés, como aquellos que contienen electrones, muones, fotones, chorros de alta energía o partículas que viajaron cierta distancia antes de desintegrarse. El primer nivel de activación utilizó 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 activadores de este tipo 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 analizó la información digital en una versión simplificada del código informático completo fuera de línea para producir hasta 100 eventos por segundo para ser registrados permanentemente y posteriormente analizados en grandes granjas de computadoras fuera de línea. El funcionamiento del sistema de activación era un delicado equilibrio entre maximizar el número de eventos guardados y minimizar el tiempo muerto incurrido al recopilarlos. Tenía que ser robusto y fiable, ya que los millones de eventos no seleccionados por el disparador se perdían para siempre. [52]