Experimentele ontdekking van de Intermediaire Vector Bosonen... Pierre Darriulat Simon van der Meer. Carlo Rubbia.

Transcriptie

1 Experimentele ontdekking van de Intermediaire Vector Bosonen... Pierre Darriulat Simon van der Meer Carlo Rubbia en het top quark 1

2 Proton-antiproton botsingen Met de fixed target formule kunnen we berekenen hoeveel energie een proton moet bezitten om in proton-antiproton botsing een W of Z -boson met een massa 2 van de orde 100 GeV c te produceren. De ondergrens voor de energie van de bundel wordt dan: 2 m Bundel Z E mp 2m 0 Z 2m 5530 GeV 5.5 TeV 0 p Een versneller die deze enorme energie kan leveren kwam echter pas in 2009 beschikbaar: de Large Hadron Collider (LHC) bij het CERN in Genève. Toch zijn 0 de W en Z bosonen al in 1983 en 1984 respectievelijk, experimenteel waargenomen. 2

3 Bij het CERN werd begin jaren 80 een proton-antiproton botsingmachine in gebruik genomen. Daartoe was het sinds 1972 operationele Super Proton Synchrotron ( SPS ) omgebouwd naar een machine die zowel protonen als antiprotonen binnen dezelfde ring kon versnellen en met elkaar in botsing kon brengen. 270 GeV Tijdens de beginfase van dit SppSwerd voor beide bundels een energie van bereikt. In een latere fase werd deze energie nog vergroot naar 315 GeV per bundel. Hierdoor kon de totale beschikbare zwaartepuntenergie van 540 GeV naar 630 GeV verhoogd worden. Een record vergeleken met wat in toen operationele fixed target experimenten elders in de wereld bereikt werd. Naar de volgende reactie werd gezocht: pp W X e X welke vergelijkbaar is met de reactie: n pe e namelijk e 3

4 een quark uit het proton en een antiquark uit het antiproton annihileren en produceren een : W Zowel het proton als het antiproton zullen in de botsing volledig opbreken. Het W -deeltje bezit geen kleur, terwijl de fragmenten van het proton en antiproton die na de annihilatie achterblijven ieder wel kleur bezitten! Dit heeft tot gevolg dat kleurrecombinatie moet optreden tussen deze fragmenten. Immers, in de eindtoestand nemen we alleen kleurneutrale deeltjes waar. Omdat de invariante massa van de fragmenten zeer groot is (proportioneel met de som van de bundelenergieën verminderd met de massa van het W ), zullen er in de sterkte wisselwerking tussen de fragmenten nieuwe hadronen gecreëerd worden. 4

5 Teken zelf de diagrammen voor (let op: de I.V. Bosonen zijn nu reëel!): pp W X pp 0 Z X 5

6 Een voordeel van het versnellen van zowel deeltjes als antideeltjes in een synchrotron is dat gebruik gemaakt kan worden van dezelfde magneten om deeltjes en antideeltjes in hun tegengestelde baan te houden. De protonenbundels zijn relatief eenvoudig te produceren: ionisatie van waterstofatomen levert de protonen welke vervolgens versneld worden. Het accumuleren van antiprotonen vereist meer instrumentatie. Bij het Fermilab bijvoorbeeld, werd een protonenbundel op een nikkel doel geschoten. Vervolgens ontstaat een breed spectrum aan secundaire deeltjes waaronder ook antiprotonen. 6

7 CERN gebruikte in de jaren 80 een 26 GeV protonenbundel van het proton-synchrotron ( PS ) en een koperen trefplaat om antiprotonen te creëren. De protonen werden met 11 tussenpozen van 2.4 s in pakketjes aangeleverd. Ieder pakketje bevatte 10 protonen. Met behulp van een magnetisch systeem werden de antiprotonen achter de trefplaat geselecteerd (via hun unieke massa!). Iedere puls protonen leverde zo antiprotonen met een energie van 3.5 GeV. In een dag (meer dan pulsen) werden zo 1011antiprotonen vergaard en opgeslagen in een zogenaamde antiproton accumulator (AA ). 7

8 De accumulator ( opslagring ) werd doorlopend bijgevuld met antiprotonen zonder dat hun energie en impulsverdeling in ruimte-tijd geoptimaliseerd was: Voordat deze antiprotonen in pakketjes met zo groot mogelijke aantallen gecontroleerd in het SppS geïnjecteerd en versneld konden worden, moest de spreiding in hun faseruimte gereduceerd worden! De Nederlandse ingenieur Simon van der Meer ontwikkelde een ingenieus systeem om de antiprotonen te accumuleren, op te slaan en stochastisch te koelen. Het systeem is gebaseerd op de observatie dat de afstand die de antiprotonen afleggen in hun cirkelvormige baan, groter is dan de afstand die een elektronisch signaal aflegt tussen meetopnemer en bundelcorrectieapparatuur aan de andere zijde van de ring 8

9 Aangezien de antiprotonen in pakketten ( bunches ) gegenereerd werden (synchroon met de protonpulsen), kon opslag in de accumulatorring eveneens in bunches geschieden. Door nu op verschillende plaatsen aan de ring de kinematische parameters van de antiprotonen te meten en die vervolgens aan de andere zijde van de ring te corrigeren, slaagde van der Meer erin een ruimtelijke verdichting (horizontaal/verticaal) van te bereiken, terwijl de spreiding in de impuls met een factor afnam

10 10 Zo werd een totale (6 dimensionale) verdichtingfactor van bereikt! Deze techniek van bundelkoeling wordt nog steeds op grote schaal toegepast. Na injectie van zowel proton- als antiproton-bunchtreinen in het SppS, werd ieder pakket deeltjes versneld tot een energie van 270 ( 315 ) GeV. Door focussering van de bundels op nauwkeurig bepaalde posities aan de ring, werden de bunches van protonen en antiprotonen met elkaar in botsing gebracht. Het aantal botsingen per seconde voor een bepaald proces kan dan gerelateerd worden aan de bijbehorende werkzame doorsnede ( ) volgens: N L sec cm sec waarbij de luminositeit (L) niets anders is dan het aantal deeltjes dat het botsingspunt per eenheid van oppervlak en per eenheid van tijd passeert. De technische verbeteringen aan het versnellercomplex tussen november 1981 en april 1983 leiden tot een flinke toename in luminositeit: cm 9 november 1981: november/december 1982: april/juni 1983: L 310 cm sec L 210 cm sec L 110 cm sec

11 Ten gevolge van de sterke wisselwerking, treden er veel proton-antiproton botsingen op die vrijwel alleen hadronen in de eindtoestand zullen geven. Hadronische vervallen van de W en Z -bosonen zullen moeilijk te onderscheiden zijn van deze QCD interacties. We beschouwen daarom de leptonische vervalkanalen van de en welke duidelijke experimentele kenmerken bezitten: W Z pp W X e X e pp W X e e X pp 0 Z X e e X X X X De impuls van de leptonen in het vlak loodrecht op de bundelas is direct gerelateerd aan de (grote) massa van de Wen Z -bosonen respectievelijk, en zal in de regel veel groter zijn dan die van de uit fragmenten van proton en antiproton ontstane hadronen ( ): X 11

12 W e ( ) e ( ) e De grote massa van zowel het W als Z zorgt ervoor dat de vervalproducten relatief veel energie bezitten 0 e e Z 12

13 W In het leptonische verval van de, wordt een neutrino geproduceerd dat alleen via de zwakke wisselwerking direct gedetecteerd zal kunnen worden. De werkzame doorsnede voor neutrino-interacties met materie is echter extreem klein; in de praktijk zal het neutrino dus aan detectie ontsnappen. Echter, omdat energie/impulsbehoud moet gelden, is de som van de impulsvectoren in het transversale vlak (loodrecht op de bundelas) na de botsing niet meer gelijk aan 0! Het ontsnappende neutrino wordt achterhaald doordat zijn energie door de detector niet gezien wordt; in het transversale vlak ontstaat een onbalans of missende energie die gelijk is aan de transversale impulsvector van het neutrino. De onbalans is redelijk tot goed meetbaar wanneer de som van de energie van alle deeltjes bepaald kan worden. Voorwaarde is dat de detector vrijwel hermetisch het botsingspunt omsluit; er mogen verder geen deeltjes met (grote) transversale impuls aan detectie ontsnappen: een neutrino geeft aanleiding tot missende energie in de energiebalans 13

14 Aangezien de relatieve beweging van het botsende quark en antiquark niet bekend is en er bovendien grote aantallen hadronen na interactie in de bundelpijp zullen verdwijnen, kan de longitudinale component van de neutrino-impuls niet experimenteel achterhaald worden. Als gevolg van de relatief grote massa van de intermediaire vector bosonen worden de hoogenergetische leptonen geproduceerd zonder noemenswaardige achtergrond. D.w.z. er zijn bijna geen (bekende) concurrerende fysica processen die vergelijkbare experimentele karakteristieken opleveren. Voor de detectie van de intermediaire vectorbosonen zijn eind jaren 70, de UA1 en UA2 experimenten ontwikkeld (UA = Underground Area ). De werkzame doorsneden voor de productie en het verval van de en -bosonen bij een zwaartepuntenergie van zijn: pp W X e X cm 33 2 e pp Z X e e X cm 540 GeV W Z Bij een gemiddelde levensduur van de bundels van rond 16 uur, met een typische luminositeit van L 10 cm sec, werden in1983 de volgende aantallen gebeurtenissen met daarin het verval van de of naar elektronen, per dag voorspeld: W Z 14

15 2 gebeurtenissen: 2 gebeurtenissen: 0.2 gebeurtenissen: pp W X e X pp W X e X e 0 pp Z X e e X e Om de geïntegreerde luminositeit te maximaliseren werden de protonen en antiprotonen onder een zo hoog mogelijk vacuüm in de -ring opgeslagen. In 1983 noteerde UA1: SppS 5 Aantal pp botsingen: 10 sec 3 aantal niet-elastische interacties: 10 sec schrijfsnelheid van het opslagmedium (magnetische banden): 3sec 5 De reductiefactor van 10 in het aantal pp interacties om aan de schrijfsnelheid van het opslagmedium te kunnen voldoen, werd verkregen door on-line randvoorwaarden aan de botsing op te leggen zodat alleen de interessante gebeurtenissen geselecteerd werden. Belangrijke criteria voor de selectie van en bosonen zijn natuurlijk: W Z een hoogenergetisch lepton een energieonbalans in de calorimeter een hoogenergetisch leptonpaar etc. 15

16 Trigger Het on-line selecteren van gebeurtenissen wordt triggering genoemd. Er worden veelal speciaal ontworpen processoren toegepast om de informatie van de verschillende delen van een detector te combineren. De eerste selectie moet uiteraard snel gebeuren omdat het vrijgegeven van de volledige detector voor een volgende botsing in het algemeen pas dan kan gebeuren wanneer een beslissing genomen is. Door extra databuffers op te nemen en processoren parallel te schakelen, kan de dode-tijd tussen de botsingen verminderd worden. Bovendien kan de triggering getrapt plaats vinden. Iedere selectiestap levert datareductie op en geeft zo de volgende trigger-stap meer tijd om aanvullende (complexere) selectiecriteria toe te passen In 1983, met L 10 cm sec 6, werden er gebeurtenissen opgeslagen, waaronder ongeveer 70 W en 8 Z 0 kandidaten. Bij de analyse van de overgebleven gebeurtenissen werd dus nogmaals een reductiefactor van 5 6 behaald!

17 Samenvattend geldt voor de selectie van een specifieke groep van interacties: On-line trigger selectie: eenvoudige criteria tijdkritisch! beperkte hoeveelheid gegevens Off-line selectie: complexe criteria (gedetailleerde patroonherkenning en reconstructie van sporen etc.) niet tijdkritisch alle gegevens van de detector staan ter beschikking. Het combineren van beide selectietechnieken leverde vervolgens reductiefactoren van! W Z De ontdekking van de eerste en deeltjes kan dus vergeleken worden met het zoeken naar een speld in de spreekwoordelijke hooiberg 17

18 Het UA2 experiment De solide basis die het Glashow-Weinberg-Salam model verkreeg, zorgde voor voldoende draagvlak om twee grote experimenten op te zetten. De eerste proton-antiproton botsingen werden al in december 1981 gerealiseerd. Hierbij werd door UA2, onder leiding van Pierre Darriulat, een groot aantal imposante jet-gebeurtenissen (vrijwel alleen hadronen in de eindtoestand) vergaard: De eerste (hoogenergetische) 2-jet gebeurtenissen werden eind 1981 met de UA2 detector vastgelegd. 18

19 Hoewel UA1 en UA2 hetzelfde doel nastreefden, was de opzet van de apparaten in vele opzichten verschillend. De UA1 architectuur had veel meer gemeen met de manier waarop huidige generaties experimenten ontworpen worden. De detector omsloot het botsingpunt vrijwel volledig, volgde in het centrale deel geladen deeltjes in hun baan door een magnetisch veld zodat hun impuls bepaald kon worden, en was bovendien uitgerust met muonen detectie apparatuur. Het UA2 experiment echter, zag af van onafhankelijk meting van de impuls van geladen deeltjes in zijn centrale detector en beschikte ook niet over apparatuur om muonen te signaleren. Ondanks dat UA2 hoofdzakelijk het centrale deel rond het botsingpunt omsloot, maakte een uitstekende elektromagnetische calorimeter in combinatie met een precieze vertex bepaling, het mogelijk om zowel 0 vervallen als Z ee met grote precisie te reconstrueren. W e e 19

20 UA2 Doorsnede en zijaanzicht van de UA2 detector 20

21 Het UA1 experiment Onder leiding van Carlo Rubbia werd in 1978 de UA1 collaboratie in het leven geroepen en een voor die tijd revolutionaire detector ontworpen. UA1 had niet alleen als ambitieus doel om de W en Z 0 te ontdekken, maar wilde ook de interne consistentie van het Standaard Model onderzoeken door zowel het verval van de vectorbosonen in elektronen als muonen te bestuderen. 21

22 Door de detectoronderdelen aaneengesloten rond het botsingpunt te groeperen, ontstond een hermetisch gesloten doos ; de enige openingen bevonden zich rond de bundelpijp, een aantal ondersteuningspunten en kabelkanalen, zodat de missende energie afdoende gereconstrueerd kon worden. 22

23 Het UA1 experiment is gebouwd op een verrijdbaar platform zodat tijdens de bouw en langere perioden van onderhoudswerkzaamheden aan detector en versneller, het volledige apparaat uit het SppS genomen kon worden. Hiernaast is een opname zien van de UA1-detector op zijn positie aan de SppS ring. Opmerkelijk zijn de massieve kabelbundels en kabelgoten op de voorgrond voor de toevoer van elektriciteit, gas e.d. en voor de uitlezing van de detectorelektronica. 23

24 De centrale tracker is opgebouwd uit vlakken met draden die zich in een speciaal gasmengsel bevinden. De draden staan afwisselend op een grote positieve of negatieve potentiaal. Wanneer een geladen deeltje het gasvolume penetreert, worden de gasmoleculen langs het spoor geïoniseerd. Elektronen driften naar de anodedraden, terwijl de ionen naar de kathode bewegen. Op beide draden ontstaat een elektrisch signaal met tegengestelde polariteit. De positie van de draden verraadt zo de positie van het geladen deeltje. 24

25 De cilindrische centrale detector bevindt zich in een magnetisch veld (dipool) en omsluit het botsingspunt. Laagenergetische deeltjes worden dus sterker afgebogen dan de geladen deeltjes met hoge energie. 25

26 In de praktijk bleek de centrale tracker een belangrijk hulpmiddel om elektronen en positronen te identificeren. Extrapolatie van de richting en de impuls van het gereconstrueerde spoor konden direct vergeleken worden met de energiemeting in de calorimeter. Op deze manier kon de energie, vrijgekomen als gevolg van bijvoorbeeld de inslag van een foton, eenvoudige gediscrimineerd worden aangezien er geen spoor van een geladen deeltje mee geassocieerd kon worden. missende energie elektron 26

27 Dat een gebeurtenis met daarin het leptonische verval van een -boson er een kan zijn met relatief weinig andere (hoogenergetische) deeltjes in de botsing, wordt geïllustreerd in onderstaande figuur. De energiedepositie van alle deeltjes in de gehele calorimeter wordt hier gegeven in een zogenaamde legoplot. Daartoe is de cilindrische calorimeter langs de centrale as opengeknipt en uitgevouwen zodat alle energiedeposities in een plat vlak bekeken kunnen worden. De rechthoekige cellen komen overeen met individuele detectoronderdelen in de calorimeter. De cel met de meeste energie wordt geassocieerd met de inslag van een elektron. W 27

28 Z 0 ee In de eerste UA1 kandidaat penetreren een hoogenergetisch elektron en positron de calorimeter. De stippellijnen in het verlengde van de sporen zijn om het oog te leiden. Het elektron en positron geven ten gevolge van de elektromagnetische interacties met het calorimetermateriaal, vrijwel al hun energie direct af. Er is geen lekkage naar de achterliggende (grotere) cellen. Verder is er ook geen waarneembare afwijking van de energiebalans: er zijn geen neutrino s in de botsing geproduceerd. Hadronen dringen dieper in, in de calorimeter. positron elektron 28

29 0 Detectie van W en vergden volledig begrip van alle Z detectoronderdelen. Hadronen zoals bijvoorbeeld het, konden, bij voldoende energie, de calorimeter passeren en een signaal in de muonen detector induceren en zich zo voordoen als een echt muon. Een extra complicatie is de grote kans waarmee het en het K kort na hun ontstaan kunnen vervallen naar een en (vervalsfracties > 99% en ~ 63% resp.). Een vervallend hadron kan dus zo een echt muon leveren dat vervolgens als zodanig in de muonen detector herkend kan worden. Hiernaast is het invariante massa spectrum van paren te zien. Het geeft een indruk hoe de 0 selectie van uiteindelijk 4 Z kandidaten verloopt door stapsgewijze kwaliteitscriteria aan te leggen zodat de bijdrage van achtergrondsignalen geëlimineerd wordt. M 2 GeV c 29

30 De richting van het -spoor in de -detector komt nauwkeurig overeen met de richting van het spoor in de centrale dradenkamer. Het muon heeft geen energie in het voorste (elektromagnetische) deel van de calorimeter verloren en slechts minimale energie gedeponeerd in het laatste (hadronische) deel. Het muon gedraagt zich als een minimum ioniserend deeltje. muon W 30

31 Analyse van alle botsingen, het bestuderen van de systematische fouten in de apparatuur en de verkregen statistiek leverde in 1984 uiteindelijk de volgende waarden voor de massa s van de intermediaire vectorbosonen: M M W Z GeV c GeV c 20 jaar later, is de foutenmarge sterk gereduceerd: M M W Z GeV c GeV c De breedte van de resonanties (en dus hun mogelijke vervalskanalen) is inmiddels eveneens nauwkeurig bekend: 2 W GeV c GeV c Z 0 Binnen het Standaard Model kan een direct verband tussen de twee massa s afgeleid worden en uitgedrukt worden in de zogenaamde parameter ( 1 in het Standaard Model). De experimentele waarde is (2004):

32 32

33 De ontdekking van het top quark In 1976 werd een derde type geladen lepton ontdekt, terwijl in 1977 het 5e quark (bottom) gevonden werd. De ontdekking van beide deeltjes gaf stof tot speculaties omtrent de familiestructuur in het Standaard Model. Vanuit symmetrieoverwegingen, leek het aannemelijk wanneer de quarkfamilie gecomplementeerd zou worden door een 6e quark. Er werd vervolgens druk gespeculeerd over de massa van dit quark. In tegenstelling tot de massa s van intermediaire vectorbosonen, geeft het Standaard Model helaas geen recept om quarkmassa s af te leiden. Ondanks dat de UA1 en UA2 experimenten de beschikking hadden over energetische protonen- en antiprotonenbundels, werd door hen geen concrete aanwijzing gevondenvoor het bestaan van dit quark. Februari 1984 werd een nieuw wereldrecord bij het Tevatron bereikt: protonen en antiprotonen bereikten een energie van 800 GeV. Ruim een jaar later, op 13 oktober 1985, werden door het CDF (Collider Detector at Fermilab) experiment de eerste protonantiproton botsingen waargenomen bij een zwaartepuntenergie van. Weer een jaar later werden de eerste botsingen bij gerealiseerd. 1.6 TeV 1.8 TeV 33

34 Gedurende de periode werden diverse nieuwe versnellertechnieken geïmplementeerd en bovendien een tweede experiment in gebruik genomen (DØ). Het resultaat was een flinke toename in de luminositeit en op 26 april 1994 werden voor het eerst directe aanwijzingen voor het bestaan van het top quark gevonden. Uiteindelijk maakten op 3 maart 1995 zowel CDF als DØ de ontdekking van het top quark wereldkundig. Vergeleken met de massa van de andere quarks, lijkt het top quark een buitenbeentje: mtop ~175GeV c 2 Omdat het top quark zo massief is, is zijn levensduur beperkt zodat het, voordat het met een ander (anti)quark een gebonden toestand vormen kan, zwak vervalt! 34

35 De Cabibbo-Kobayashi-Maskawa matrix geeft de kans welk type quark na emissie van het W ontstaat. De koppeling binnen dezelfde familie is maximaal 2 zodat in dit geval een bottom quark ( mbottom ~4.5GeV c ) gevormd wordt. De werkzame doorsnede voor de productie van top quarks wordt gedomineerd door QCD; top en antitop quarks worden in paren gevormd: Paarproductie van de kortlevende top quarks en hun verval in W deeltjes geeft aanleiding tot complexe gebeurtenissen. Om deze gebeurtenissen van achtergrondsignalen te kunnen onderscheiden, is het wederom noodzakelijk om voor de trigger een karakteristieke geometrie te vinden 35

36 beschouwen we bijvoorbeeld de leptonische vervallen van de Ws ', dan wordt de gebeurtenis gekenmerkt door o.a. door twee hoogenergetische leptonen en twee door de bottom quarks geïnitieerde jets van hadronen: 36

37 Zo n type event is door CDF vastgelegd: (projectie van de sporen op het transversale vlak!) De centrale vertex detector Positron ( p ) en muon t ~49GeV c ( p ~25GeV c) zijn duidelijk te herkennen t extrapoleren naar botsingspunt van bundels 37

38 Verder uitvergroten van het gebied rond het interactiepunt laat zien dat een secundaire vertex binnen de bundelpijp te herkennen is... Dit duidt op het verval van een langer levend deeltje; in dit geval een -meson, Bde gebonden toestand van een bottom quark en een lichter antiquark. 38

39 Veel minder eenvoudig te herkennen zijn gebeurtenissen met één of helemaal geen lepton. Vooral de laatste klasse van gebeurtenissen vormt een uitdaging aangezien alleen jets van hadronen geproduceerd worden. Een 6-jet eindtoestand, waarbij geen overlap tussen de jets optreedt, kan door de juiste combinatie van jets te nemen tot reconstructie van de beide W-bosonen en tenslotte de top quarks leiden. De metingen van CDF en DØ voor de diverse toppaar vervalkanalen leveren: 39