페르밀라브에서의 충돌 검출기

Collider Detector at Fermilab
"CDF"의 다른 용도는 CDF(동음이의)를 참조하십시오.
페르밀라브 윌슨 홀
CDF 디텍터의 일부

페르밀라브(CDF)의 충돌기 검출기는 세계 최고 에너지 입자 가속기였던 테바트론(Tevatron)의 고에너지 입자 충돌을 연구한다. 목표는 우주를 구성하는 입자의 정체성과 성질을 발견하고 그 입자들 사이의 힘과 상호작용을 이해하는 것이다.

CDF는 전성기에 약 600명의 물리학자들[1](이탈리아, 일본, 영국, 캐나다, 독일, 스페인, 러시아, 핀란드, 프랑스, 대만, 한국, 스위스의 약 30개 대학 및 국립 연구소 출신 30개 그룹)으로 구성된 국제 협력이다.[2] CDF 검출기 자체의 무게는 약 5000톤으로[3] 3차원 모두 약 12미터였다. 이 실험의 목적은 다음과 같은 목적을 위해 수십억 개의 입자 충돌 중 예외적인 사건을 측정하는 것이다.

테바트론은 약 2 TeV의 질량 중심 에너지에서 양성자와 항정신병자를 충돌시켰다. 이러한 충돌에 사용할 수 있는 매우 높은 에너지는 탑 쿼크와 W와 Z 보손과 같은 무거운 입자를 생산할 수 있게 해주었는데, 이것은 양성자(또는 항정신병자)보다 훨씬 무게가 더 나간다. 이 더 무거운 입자들은 그들의 특징적인 해독을 통해 확인되었다.[4] CDF 기기는 전자, 광자, 광선 하드론의 궤적과 에너지를 기록하였다. Neutrinos는 명백한 에너지 손실을 초래하는 장치에 등록되지 않았다.[5]

Tevatron 링의 다른 지점에 검출기를 설치한 Dø라는 CDF와 유사한 실험이 있다.

CDF의 역사

페르밀랍의 테바트론에는 CDF와 Dø라는 두 개의 입자 검출기가 있었다. CDF는 테바트론의 첫 번째 검출기로 Dø를 예측했다. CDF의 기원은 페르밀랍이 짐 크로닌의 지도 아래 충돌 보 부서를 창설한 1976년으로 거슬러 올라간다. 이 부서는 충돌 입자 빔을 생성하는 가속기와 그러한 충돌을 분석하는 검출기의 개발에 초점을 맞췄다. 1977년 말 연구소가 이 부서를 해체하면서 앨빈 톨레스트로프의 주도로 충돌 검출기 시설부를 신설했다. 이번 협업은 1981년 여름 CDF에 대한 개념 설계 보고서를 완성했으며, 1982년 7월 1일 충돌 홀에 대한 공사가 시작되었다. 연구소는 1985년 10월 11일 CDF 검출기를 전용했고, CDF는 1985년 10월 13일 테바트론의 첫 양성자-항티프로톤 충돌을 관측했다.[6]

몇 년 동안, CDF에 두 가지 주요 업데이트가 이루어졌다. 첫 번째 업그레이드는 1989년에 시작되었고 두 번째 업그레이드는 2001년에 시작되었다. 각각의 업그레이드는 "실행"으로 간주되었다. 실행 0은 업그레이드 전 실행, 실행 I은 첫 번째 업그레이드 후 실행, 실행 II는 두 번째 업그레이드 후 실행이었습니다. Run II에는 중앙 추적 시스템, 프리샤워 감지기의 업그레이드 및 뮤온 커버리지의 확장이 포함된다.[7]

2004년 이후

테바트론은 2011년에 폐쇄되었다.

상위 쿼크의 발견

CDF Collaboration 그룹 사진, 1994년 4월 14일。

CDF의 가장 유명한 발견 중 하나는 1995년 2월에 있었던 상위 쿼크의 관찰이다.[8] 상단 쿼크의 존재는 1977년 페르밀라브에서 웁실론이 관측된 후 가설을 세웠는데, 하단 쿼크와 반하트 쿼크로 구성된 것으로 밝혀졌다. 오늘날 입자와 상호작용을 기술하는 가장 널리 받아들여지는 이론인 스탠더드 모델은 3세대 쿼크의 존재를 예측했다.[9] 1세대 쿼크는 상하 쿼크, 2세대 쿼크는 이상하고 매력적이며 3세대는 상하 쿼크다. 바닥 쿼크의 존재는 최상위 쿼크가 존재한다는 물리학자들의 확신을 확고히 했다.[10] 맨 위 쿼크는 상대적으로 질량이 높기 때문에 가장 마지막으로 관측된 쿼크였다. 다른 쿼크의 질량은 .005 GeV(상부 쿼크)에서 4.7GeV(하부 쿼크)까지인 반면, 상단 쿼크의 질량은 175GeV이다.[11] 오직 페르밀랍의 테바트론만이 상단 안티탑 페어를 생산하고 검출할 수 있는 에너지 능력을 가지고 있었다. 상단 쿼크의 큰 질량은 상단 쿼크를 거의 즉각적으로 10초−25 이내에 붕괴시켜 관찰하기가 극도로 어렵게 만들었다. 스탠더드 모델은 맨 위 쿼크가 아래 쿼크와 W 보손으로 변질될 수 있다고 예측한다. 이 W 보손은 그 후 렙톤과 중성미자로 썩을 수 있다(t→Wb→ intolb). 따라서 CDF는 특히 하단 쿼크인 W 보손 중성미자의 증거를 찾아 상위 사건들을 재구성하는 작업을 했다. 마침내 1995년 2월, CDF는 상위 쿼크를 "발견했다"고 말할 수 있는 충분한 증거를 확보했다.[12]

CDF 작동 방식

물리학자들이 각 사건에 해당하는 데이터를 이해하기 위해서는 CDF 검출기의 구성 요소와 검출기의 작동 방식을 이해해야 한다. 각 구성요소는 데이터가 어떻게 보일지에 영향을 미친다. 오늘날 5000톤 검출기는 B0에 위치하며 초당 수백만 건의 빔 충돌을 분석한다.[13] 검출기는 여러 층으로 설계되어 있다. 이러한 각 레이어는 다른 입자와 상호작용하기 위한 노력으로 검출기의 다른 구성요소와 동시에 작용하여 물리학자들이 개별 입자를 "보고 연구할 수 있는" 기회를 제공한다.

CDF는 다음과 같이 레이어로 나눌 수 있다.

  • 레이어 1: 보 파이프
  • 레이어 2: 실리콘 검출기
  • 레이어 3: 중앙 외부 트래커
  • 4층: 솔레노이드 자석
  • 레이어 5: 전자기 칼리미터
  • 레이어 6: 해드론 칼로리미터
  • 레이어 7: 뮤온 검출기

레이어 1: 빔 파이프

빔 파이프는 CDF의 가장 안쪽 층이다. 빔 파이프는 약 0.99996 c로 이동하는 양성자와 안티프로톤이 정면으로 충돌하는 곳이다. 양자는 각각 극히 높은 에너지로 빛의 속도에 매우 가깝게 움직이고 있다. 충돌하면 에너지의 상당 부분이 질량으로 변환된다. 이를 통해 양성자/반양성자 전멸은 원래의 양성자보다 훨씬 무거운 질량 175 GeV의 상단 쿼크와 같은 딸 입자를 생성할 수 있다.[14]

레이어 2: 실리콘 검출기

CDF 실리콘 정점 검출기
실리콘 검출기의 단면

빔 파이프 주위에는 실리콘 검출기가 있다. 이 검출기는 충전된 입자가 검출기를 통과할 때 그 경로를 추적하는 데 사용된다. 실리콘 검출기는 빔 라인에서 r = 1.5 cm 반경으로 시작하여 빔 라인에서 r = 28 cm 반경으로 확장된다.[7] 실리콘 검출기는 빔 파이프 주위에 배럴 모양으로 배열된 실리콘 7단으로 구성된다. 실리콘은 높은 민감도로 인해 고해상도 정점과 추적이 가능하기 때문에 충전된 입자 검출기에 자주 사용된다.[15] 실리콘의 첫 번째 층인 레이어 00는 극단적인 방사선에서도 신호를 배경에서 분리하도록 설계된 단면 검출기다. 나머지 층은 양면이고 방사선이 단단해 방사능의 손상으로부터 층이 보호된다는 것을 의미한다.[7] 실리콘은 실리콘을 이온화하여 검출기를 통과할 때 충전된 입자의 경로를 추적하는 역할을 한다. 실리콘의 밀도는 실리콘의 낮은 이온화 에너지와 결합되어 이온화 신호가 빠르게 이동할 수 있게 한다.[15] 입자가 실리콘을 통해 이동함에 따라, 그 위치는 3차원으로 기록될 것이다. 실리콘 검출기는 트랙 적중 분해능이 10μm, 충격 파라미터 분해능은 30μm이다.[7] 물리학자들은 이온의 흔적을 보고 이 입자가 이동한 경로를 결정할 수 있다.[14] 실리콘 검출기가 자기장 내에 위치하기 때문에 실리콘을 통과하는 경로의 곡률로 물리학자들은 입자의 운동량을 계산할 수 있다. 곡면성이 높다는 것은 운동량이 적다는 것을 의미하며 그 반대도 마찬가지다.

3층: 중앙 외부 트래커(COT)

실리콘 검출기 바깥쪽 중앙 외측 트래커는 충전된 입자의 경로를 추적하는 데 사용되며 자기장 내에 위치하기 때문에 실리콘 검출기와 같은 방식으로 작동한다. 그러나 COT는 실리콘으로 만들어지지 않았다. 실리콘은 엄청나게 비싸고 극단적으로 구매하는 것이 실용적이지 않다. COT는 수만 개의 금선이 층층이 쌓이고 아르곤 가스가 배치된 가스실이다. COT에는 감지 와이어와 필드 와이어라는 두 가지 유형의 와이어가 사용된다. 감지 전선은 더 얇고 아르곤 가스에 의해 방출되는 전자를 이온화하면서 끌어당긴다. 자기장 전선은 감지 전선보다 두껍고 전자의 방출로 형성된 양의 이온을 끌어당긴다.[14] 96개의 철사가 있고 각 철사는 서로 약 3.86 mm 떨어져 있다.[7] 실리콘 검출기에서처럼 충전된 입자가 챔버를 통과할 때 가스를 이온화한다. 그런 다음 이 신호는 근처 전선으로 전송되고, 컴퓨터로 전송되어 판독된다. COT의 길이는 약 3.1m이며 r = 40cm에서 r = 137cm까지 확장된다. COT는 실리콘 검출기에 비해 정밀도가 떨어지지만 COT는 히트 위치 분해능 140μm, 모멘텀 분해능 0.0015(GeV/c)이다.−1[7]

4층: 솔레노이드 자석

솔레노이드 자석은 COT와 실리콘 검출기를 둘 다 둘러싸고 있다. 솔레노이드는 빔과 평행한 자기장을 생성하여 COT와 실리콘 검출기에서 충전된 입자의 궤적을 구부리는 것을 목적으로 한다.[7] 솔레노이드는 반지름이 r=1.5m이고 길이는 4.8m이다. 자석장에 있는 입자의 궤적 곡률로 물리학자들은 각 입자의 운동량을 계산할 수 있다. 곡률이 높을수록 모멘텀이 낮아지고 그 반대의 경우도 마찬가지다. 입자는 에너지가 매우 높기 때문에 입자의 길을 구부리기 위해서는 매우 강한 자석이 필요하다. 이 솔레노이드는 액체 헬륨에 의해 냉각되는 초전도 자석이다. 헬륨은 자석의 온도를 4.7K 또는 -268.45°C로 낮춰 거의 0에 가까운 저항을 줄여 자석이 최소한의 가열과 매우 높은 효율로 높은 전류를 전도할 수 있게 하고 강력한 자기장을 만들어 준다.[14]

5층 및 6층: 전자기 및 해드론 열량계

칼로리미터는 입자의 에너지를 폴리스티렌 섬광기를 통해 가시광선으로 변환하여 입자의 총 에너지를 계량한다. CDF는 전자기 캘리미터와 해드론 캘리미터의 두 가지 종류의 캘리미터를 사용한다. 전자기 열량계는 빛 입자의 에너지를 측정하고, 하드론 열량계는 하드론의 에너지를 측정한다.[14] 중앙 전자기 열량계는 납과 섬광기를 번갈아 사용한다. 납의 각 층은 대략 너비가 20 mm(3⁄4 인치)이다. 납은 입자가 열량계를 통과할 때 입자를 정지시키는 데 사용되고 섬광기는 입자의 에너지를 정량화하는 데 사용된다. 해드론 열량계는 하드론 열량계가 납 대신 강철을 사용하는 것을 제외하고는 거의 동일한 방식으로 작동한다.[7] 각 열량계는 전자기 열량계와 해드론 열량계로 구성되는 쐐기를 형성한다. 이들 웨지는 길이가 약 2.4m(8ft)이며 솔레노이드 주위에 배치되어 있다.[14]

레이어 7: 뮤온 검출기

검출기의 최종 "계층"은 뮤온 검출기로 구성된다. 뮤온은 무거운 입자가 썩을 때 생성될 수 있는 전하 입자다. 이러한 고에너지 입자들은 거의 상호작용을 하지 않기 때문에 뮤온 검출기는 강철의 큰 벽 뒤에 있는 빔 파이프로부터 가장 먼 층에 전략적으로 배치된다. 이 강철은 중성미자와 뮤온과 같은 극도의 고에너지 입자만이 뮤온 챔버로 통과할 수 있도록 한다.[14] 뮤온 검출기에는 평면 드리프트 챔버와 섬광기의 두 가지 측면이 있다. 평면 드리프트 챔버에는 4개의 층이 있으며, 각각 가로운동량 pT > 1.4 GeV/c를 가진 뮤온을 검출할 수 있다.[7] 이 표류실은 COT와 같은 방식으로 작동한다. 그것들은 가스와 전선으로 가득 차 있다. 충전된 뮤온은 가스를 이온화하고 신호는 전선에 의해 판독되도록 전달된다.[14]

결론

검출기는 각 입자에 대해 어떤 데이터와 어떤 신호를 예상할 수 있는지를 결정하기 때문에 검출기의 다양한 구성 요소를 이해하는 것이 중요하다. 검출기는 기본적으로 입자가 상호작용을 하도록 하는 데 사용되는 장애물의 집합이므로 물리학자들이 특정 입자의 존재를 "보도록" 할 수 있다는 점을 기억해야 한다. 충전된 쿼크가 검출기를 통과하는 경우, 이 쿼크의 증거는 실리콘 검출기의 곡선 궤적이 되고 COT는 열량계에 에너지를 축적한다. 중성자와 같은 중성자 입자가 검출기를 통과할 경우 COT와 실리콘 검출기에는 선로가 없고 해드론 열량계에 에너지가 축적된다. 뮤온은 COT와 실리콘 검출기에 나타나며 뮤온 검출기에 축적된 에너지로 나타날 수 있다. 마찬가지로, 상호작용을 거의 하지 않는 중성미자는 에너지가 빠진 형태로만 자신을 표현할 것이다.

참조

  1. ^ Toback, David (2017-06-30). "CDF publishes 700 papers". Fermilab - News at Work. Retrieved 2021-01-05.
  2. ^ a b Yoh, John (2005-04-20). "Brief Introduction to the CDF Experiment". The Collider Detector at Fermilab. Retrieved 2020-01-05.
  3. ^ Browne, Malcolm W. (1995-03-01). "Top Quark Remains a Mystery, but Only for One More Day (Published 1995)". The New York Times. ISSN 0362-4331. Retrieved 2021-01-05.
  4. ^ Denisov, Dmitri; Konigsberg, Jacobo (2016-04-15). "The Tevatron legacy: a luminosity story". CERN Courier. Retrieved 2021-03-12.
  5. ^ Yoh, John (January 7, 2005). "Introduction to the CDF Detector and the Particles We Observe". The Collider Detector at Fermilab. Retrieved March 12, 2021.
  6. ^ Hoddeson, Lillian; Kolb, Adrienne; Westfall, Catherine (2008). Fermilab : physics, the frontier, and megascience. Chicago: University of Chicago Press. ISBN 978-0-226-34623-6. OCLC 192045754.
  7. ^ a b c d e f g h i "실행 II의 CDF 검출기 개요 설명."(2004): 1-2.
  8. ^ 벤 킬민스터 "페르밀랍 투데이의 CDF "이번 주의 결과" 페르밀랍의 충돌 검출기. 페르밀라브에서의 충돌 검출기 2009년 4월 28일 <http://www-cdf.fnal.gov/rotw/CDF_ROW_descriptions.html>.
  9. ^ "The Standard Model". CERN. CERN. Retrieved 2019-05-28.
  10. ^ 랭크포드, 앤디. '톱 쿼크의 발견' 페르밀랍의 충돌 탐지기 2009년 4월 25일 <http://www.ps.uci.edu/physics/news/lankford.html>.
  11. ^ "쿼크 차트." 입자 모험. 입자 데이터 그룹. 2009년 5월 5일 <http://www3.fi.mdp.edu.ar/fc3/particle/quark_chart.html[permanent dead link]>.
  12. ^ 퀴그, 크리스. '톱 쿼크의 발견' 1996년 페르미 국립 가속기 연구소. 2009년 5월 8일 <http://lutece.fnal.gov/Papers/PhysNews95.html>.
  13. ^ 요, 존(2005년). CDF 실험에 대한 간략한 소개 2008년 4월 28일 검색된 웹 사이트: http://www-cdf.fnal.gov/events/cdfintro.html <http://www-cdf.fnal.gov/upgrades/tdr/tdr.html>
  14. ^ a b c d e f g h 리, 제니(2008년). 페르밀랍의 충돌 검출기. 2008년 9월 26일 CDF Virtual Tour 웹 사이트에서 검색됨: http://www-cdf.fnal.gov/
  15. ^ a b "입자 감지기" 입자 데이터 그룹 2008년 7월 24일 페르미 국립가속기 연구소. 2009년 5월 11일 <http://pdg.lbl.gov/2008/reviews/rpp2008-rev-particle-detectors.pdf>.

추가 읽기

  • 1985년 5월 National Geographic 기사, 원자 내의 세계

외부 링크