Un poco más de la mitad después de estudiar física de partículas para estudiantes de maestría en ciencias estadísticas, por lo general me encuentro describiendo el detector CMS con cierto detalle, y esto es lo que sucedió la semana pasada.
el capítulo
Mi curso tiene una duración de 64 horas y se divide en cuatro partes. En la primera parte, que suele tardar unas 24 horas en completarse, repaso la parte más relevante de la física del siglo XX. Partimos de la antigua teoría cuántica y luego observamos la relatividad especial, los conceptos básicos de la mecánica cuántica, la teoría de la dispersión y el estudio de los hadrones y las simetrías que llevaron al modelo de quarks, para terminar con el mecanismo de Higgs y el modelo estándar. .
En la segunda parte, analizo la interacción de la radiación con la materia, el descubrimiento de partículas y algunos experimentos importantes del pasado, incluido el descubrimiento de los bosones W y Z y los quarks charm y bottom. En la tercera parte, pasé a la física del LHC, describiendo experimentos y la búsqueda del bosón de Higgs, y en la cuarta y última parte, analizo las búsquedas de nueva física.
Por supuesto, el material anterior será suficiente para completar dos o tres semestres que valga la pena estudiar para estudiantes de física. Entonces, ¿cómo en once semanas puedo pasar por todo eso con estudiantes que no saben nada de física, excepto quizás lo que aprendieron en la escuela secundaria? Bueno, la respuesta corta es que estoy tratando de explicar los conceptos básicos sin centrarme demasiado en los detalles.
Explico cosas complejas como la simetría del isospín, los coeficientes de Clebsch-Gordan, los bosones de Goldstone o la renormalización, pero me aseguro de que mis alumnos no tengan que preocuparse por tener que recordar todo; estoy feliz si solo pueden obtener las partes básicas. Esto se debe a que el curso tiene como objetivo proporcionar los conceptos clave que permiten al estudiante trabajar en el análisis de datos del colisionador de partículas, sin sentirse completamente oscuro. Soy plenamente consciente del hecho de que ellos, con raras excepciones, no pueden absorber y comprender la gran cantidad de material de mi curso; Por otro lado, he verificado empíricamente que mis objetivos se suelen conseguir.
La experiencia de enseñar física de partículas a estadísticos se ha visto reforzada por la insistencia de Bruno Scarpa, un colega del Departamento de Estadística con el que he estado colaborando desde 2014. De hecho, me ha ido muy bien, como lo han hecho en los últimos años un puñado de de estudiantes que han contribuido al análisis de datos del LHC o actividades similares. También publicamos artículos con sus nombres, lo cual es bueno para ellos si quieren continuar investigando después de su tesis.
Medición de calorías 101
Estaba diciendo arriba, y este es el tema principal de esta publicación, que estaba describiendo un calorímetro electromagnético CMS la semana pasada, entre otras cosas. Pensé en dejar algunos rastros de esa discusión aquí, porque es un tema estrechamente relacionado con la física de Higgs; Además, este detector en particular es uno de los más calorímetros jamás construidos, por lo que es intrínsecamente interesante explicar cómo y por qué se construyó, al menos a gran escala (los detalles de las opciones de construcción para un instrumento tan complejo están por encima de mi cabeza., Pero apuntaremos a un nivel más bajo aquí).
Entonces, ¿qué es una escala de calorías, en primer lugar? Un calorímetro es una masa de materia cuya función es absorber partículas energéticas, permitiéndoles interactuar con sus núcleos hasta perder toda su energía. Se genera calor («calor» es la palabra latina para calor), pero es difícil medir el calor con alta precisión. Para darle una escala, un protón de 100 GeV que deposite toda su energía cinética en una masa de hierro de 10 kg elevaría la temperatura de este último en unos pocos billones de grados (creo que el número exacto es 4×10−12 °, pero olvidé si es una masa de 10 kg o 100 kg … bueno, no importa mucho).
En lugar de calor, el calorímetro determina la energía de las partículas que caen contando el número de partículas secundarias que se generan en la «lluvia» que se desarrolla cuando una partícula primaria choca con un núcleo, generando más partículas que cada una ocupa una parte del energía primaria. Los diodos también interactúan con otros núcleos, y el proceso continúa golpeando un dado al final porque cada partícula secundaria individual tiene un poco de energía para crear más hermanos.
El procedimiento general para determinar la energía de una partícula primaria es averiguar el efecto colectivo de todas las partículas secundarias; El número de estos últimos es proporcional al primero. Para lograr este objetivo, a menudo se utiliza el proceso de luminiscencia: algunos materiales producen un destello de luz ultravioleta cuando las moléculas energéticas los atraviesan. Más partículas emiten más luz, que se puede medir eficazmente con tubos fotomultiplicadores finos.
Calorímetros electromagnéticos
Un calorímetro electromagnético funciona tal como describí el calorímetro genérico anteriormente, pero tiene la tarea de medir con precisión dos tipos de partículas (o posiblemente tres, ver más abajo): el electrón y el fotón. Cuando un electrón se mueve a través de un material, resiste una fuerte aceleración cerca de núcleos pesados y emite fotones a través de un proceso llamado «bremsstrahlung». Los fotones creados de esta manera, si son lo suficientemente energéticos, pueden resistir una interacción electromagnética cerca de otro núcleo, donde se transforman en un par electrón-positrón. Este último luego repetirá el procedimiento, por lo que se desarrolla una lluvia electromagnética.
Cada radiación de fotones es causada por un electrón (o positrón) en promedio cada vez que una partícula viaja con una longitud llamada «longitud de radiación», X0, en la materia. Photon creará un par cada 9/7 de X0 en su lugar. X0 puede ser una distancia pequeña (menos de 6 mm en plomo, o unos centímetros en materiales más ligeros), por lo que podemos crear calorímetros compactos utilizando elementos pesados. Después de una profundidad total de aproximadamente 25 x 0, que son solo 15 cm de plomo, por ejemplo, las lluvias producidas por los electrones y fotones de mayor energía se extinguen por completo, de modo que existe una buena proporción entre la luz total recolectada y la energía entrante (de lo contrario, si algunas partículas escapan de la máquina, se perderá la proporcionalidad).
Entrar en CMS
CMS son las siglas de Compressed muon solenoid file (también abreviatura de Continuous Meeting System, pero dejemos esa parte para un texto más intuitivo). En la mente de los físicos que lo diseñaron, debió ser compacto porque tenía que hacer dos cosas muy opuestas:
(1) Medición de electrones y fotones con una precisión excepcional y fondos bajos, y
(2) Medir las trayectorias de trayectorias cargadas con muy alta precisión.
Si ustedes, como diseñadores originales, no conocen la masa del bosón de Higgs, no pueden buscar esta partícula si no obtienen (1), porque hay un rango de masa, cuando el bosón de Higgs es más ligero que quizás 110. GeV o algo así: cuando se desintegra en pares de bosones Z, se suprimen severamente. Podría ser mejor buscar una señal detectando su rara descomposición en un par de fotones energéticos. Sin embargo, una señal tan pequeña está oculta en un fondo muy grande de eventos donde dos fotones reales son producidos por procesos de fondo, o cuando ellos mismos son falsos.
[Above, the Higgs decay to photon pairs is seen by CMS as a small bump on a large background. The narrowness of the bump depends on the high resolution on the energy measurement of photons: a twice wider peak would be much harder to put in evidence. In the top panel, the data (black points with uncertainty bars) are fit by a model (red curve) which includes an exponentially falling background and a small signal component. In the bottom panel, the signal component is shown after a subtraction of the estimated background.]
Para caracterizar la señal, se debe lograr la mayor resolución posible de la energía del fotón. ¿Y cómo se obtiene una alta resolución de energía fotónica? Con calorímetros monolíticos, es decir, aquellos en los que solo hay un material flash activo, para que puedas ver toda la luz del secundario.
Antes de poder medir los electrones y fotones en el calorímetro, debe medir las partículas cargadas en un sistema de seguimiento, y esto debe hacerse dentro de un campo magnético muy fuerte, de modo que pueda curvar las trayectorias de las partículas y determinar el momento de la curva. esta es la condición (2). Un imán superconductor puede producir un fuerte campo magnético; Pero si coloca el imán antes que el calorímetro electromagnético, esto estropeará la precisión del calorímetro, porque los electrones y fotones comenzarán a depositar energía en las bobinas del imán antes de que lleguen a este dispositivo.
Los diseñadores de CMS decidieron diseñar un calorímetro electromagnético utilizando plomo tungsteno extremadamente denso, un material brillante que puede absorber aguaceros de menos de un pie de profundidad. Esto puede caber dentro del imán, proporcionando la alta precisión necesaria. En cuanto al solenoide CMS, es el más poderoso jamás construido para un detector de colisionador: es un conductor superconductor, que produce un campo de aproximadamente 3.8 tesla regular sobre el tamaño de decenas de metros cúbicos.
Lo anterior significa la producción en masa de plomo tungsteno para crear su propio calorímetro. De hecho, la herramienta debe formar un cilindro de 23 cm de espesor alrededor del punto de interacción, aproximadamente del tamaño de la traza. ¡Su volumen total es de 11 metros cúbicos y su peso es de 92 toneladas! Pero la característica más impresionante de este detector es la fina segmentación. El sistema está dividido en 75,848 cristales, paralelepípedos largos cuya cara frontal es de solo 2.2×2.2 cm2. Esta alta resolución es otro requisito importante, destinado a reducir el fondo que reciben los fotones energéticos de la desintegración de Higgs … de los fotones energéticos provenientes del decaimiento de pion neutro.
[Above, the vertex-pointing crystals of the CMS ECAL detector are shown in grey with light blue section.]
El pión neutro es el estado de enlace más ligero de un quark y un quark que se encuentra en la naturaleza. Es miembro de tripletes de partículas con sus contrapartes positivas y neutrales. Por ejemplo, se obtiene un pión positivo conectando un quark up y un antiquark, y un pioner negativo y un antiquark down. Neutral Albion es una mezcla de anti-up y down. Decae por interacción electromagnética cuando los quarks se aniquilan. El proceso produce dos fotones.
Dado que un pión neutro pesa 135 MeV (un poco más de una milésima de un bosón de Higgs), los dos fotones que produce también transportan una milésima parte de la energía, si el pión está en reposo. Desafortunadamente, los piones neutros se producen en cantidades muy grandes en colisiones protón-protón y pueden producirse con un gran momento aleatorio. Cuando eso suceda, los dos fotones juntos recibirán toda la energía del pión, viajando aproximadamente separados.
Cuando los dos fotones de la desintegración piezoeléctrica chocaron con el calorímetro electromagnético, podría ser difícil distinguirlos de un solo fotón energético bien aislado procedente de la desintegración del bosón de Higgs. Debido a esto, uno necesita tanta precisión tangencial como sea posible, de modo que las dos lluvias independientes producidas por fotones de origen Bezier puedan distinguirse de las lluvias individuales producidas por el fotón de Higgs honrado por Dios.
[Above, a schematic drawing of a neutral pion producing two almost collinear photons, which hit the calorimeter at points sufficiently far from one another to give rise to independent energy deposits.]
Tenga en cuenta que el calorímetro debe estar lo más lejos posible del punto de interacción para que los fotones tengan tiempo suficiente para separarse entre sí; de lo contrario, sería imposible distinguirlos. Esto está en conflicto con el requisito de compacidad de un imán potente.
A continuación, puede ver que CMS realmente puede reconstruir la masa de piones neutros a partir de la energía de lluvia independiente producida por los dos fotones de desintegración. ¡Esto es lo que puede lograr una división calorimétrica más alta!
[Above, the black points indicate the rate of reconstructed photon pairs as a function of their combined mass; The red and the blue curve indicate the model of signal and background. The dashed vertical line shows that the peak sits at the nominal mass of the neutral pion, 0.135 GeV.]
Entonces, en pocas palabras, el calorímetro electromagnético CMS es una maravilla tecnológica y una gran herramienta, que fue crucial para el descubrimiento del bosón de Higgs. Sin embargo, sigue siendo una de las partes más importantes del CMS, que ahora continúa recopilando datos en busca de nuevos fenómenos físicos.
–
Tommaso Dorigo (míralo Página web personal aquí) es un físico de partículas experimental que trabaja para INFN La Universidad de Padua, en cooperación con Experiencia CMS En el CERN LHC. También coordina un archivo Modo colaboracion, un grupo de físicos e informáticos de quince instituciones en Europa y los Estados Unidos con el objetivo de permitir la optimización del diseño de detectores de un extremo a otro mediante la programación diferencial. Dorigo es editor de una revista Revisiones de física Y física abierta. En 2016, Dorigo publicó el libro «¡anomalía! La física del colisionador y la búsqueda de nuevos fenómenos en el Fermilab‘, un punto de vista informado sobre la sociología de los experimentos de física de partículas grandes. Obtenga una copia del libro en Amazon, o comuníquese con él para obtener una copia en pdf gratis si tiene recursos económicos limitados.
«Gurú del alcohol. Analista. Defensor de la comida. Aficionado extremo al tocino. Experto total en Internet. Adicto a la cultura pop. Pionero de viajes sutilmente encantador».