Эксперимент CDHS

CDHS был нейтринным экспериментом в ЦЕРНе, собиравшим данные с 1976 по 1984 год. Эксперимент официально назывался WA1 . CDHS был совместной работой групп из ЦЕРНа , Дортмунда , Гейдельберга , Сакле и позже Варшавы . Сотрудничеством руководил Джек Штейнбергер . Эксперимент был разработан для изучения глубоконеупругих взаимодействий нейтрино в железе.

Экспериментальная установка

Ядро детектора состояло из 19 (позже 20) намагниченных железных модулей. В промежутках между ними были установлены дрейфовые камеры для реконструкции треков. Кроме того, в железо были вставлены пластиковые сцинтилляторы . Таким образом, каждый железный модуль последовательно служил мишенью взаимодействия, куда попадали нейтрино и производили адронные ливни , калориметром, измерявшим энергию этих адронов, и спектрометром, определявшим импульсы произведенных мюонов посредством магнитного отклонения. ^[1]^[2]

На момент завершения строительства в 1976 году общая длина детектора составляла 20 м, а вес — около 1250 тонн.

Эксперимент проводился в западной зоне ЦЕРНа , в здании 182. Нейтрино (и антинейтрино) были получены протонами из суперпротонного синхротрона (SPS) с энергией около 400 ГэВ, которые были направлены на бериллиевую мишень. ^[1]

История

Эксперимент был впервые предложен в июле 1973 года группой под руководством Джека Стейнбергера как двухкомпонентный детектор. Передняя часть должна была служить нейтринной мишенью и детектором адронного ливня , следующая вторая часть должна была обнаруживать следы мюонов . ^[3] Планировалось, что четыре предлагающие группы из Сакле, Дортмунда, Гейдельберга и ЦЕРНа внесут свой вклад, предоставив дополнительные знания и рабочую силу. Например, Сакле был назначен ответственным за дрейфовые камеры , тогда как ЦЕРН должен был заниматься магнитами с железным сердечником. Именно эти четыре группы дали эксперименту его название: CERN D ortmund H eidelberg S aclay (CDHS) . Примерно 30 человек должны были сформировать окончательную экспериментальную группу. ^[4]

После продолжительных обсуждений с комитетом SPS, который отвечал за одобрение предложений и распределение имеющихся средств, в марте 1974 года было представлено обновленное предложение по новому детектору. Предложенный детектор представлял собой модульную установку, состоящую из намагниченных железных модулей в сочетании с дрейфовыми камерами и пластиковыми сцинтилляторами . ^[5] Это новое предложение было одобрено комитетом в апреле 1974 года. Строительство началось вскоре после этого и было завершено в 1976 году. Официальное название эксперимента было WA1 , поскольку это был первый одобренный эксперимент в Западной зоне ЦЕРНа . Оценочная стоимость детектора составляла от 6 до 8 миллионов швейцарских франков . ^[3]

В 1979 году было предложено усовершенствовать экспериментальную установку. ^[6] Основной причиной этого усовершенствования было сравнительно низкое разрешение восьми из 19 модулей детектора. Эту ситуацию следовало улучшить, вставив двенадцать новых и лучших модулей, что привело бы к немного более длинной и значительно более точной машине. Предложение также включало предложение о присоединении к проекту группы из Варшавского университета во главе с Адамом Пара. Начиная с длительного отключения Суперпротонного синхротрона (SPS) летом 1980 года, запрошенные изменения были реализованы. В конечном итоге половина целевых калориметров эксперимента была заменена, а общее количество модулей детектора было увеличено с 19 до 20. Это привело к четырехкратному повышению пространственного разрешения полученных частиц, а также к на 25% более точным измерениям выделенной адронной энергии. Кроме того, были установлены четыре новые дрейфовые камеры, что улучшило реконструкцию треков мюонов . ^[7] [ ^8] Позже перед детектором был добавлен резервуар с жидким водородом в качестве мишени для измерения структурной функции протонов . ^[9]

CDHS собирал данные по нейтрино, поставляемые SPS с конца 1976 года по сентябрь 1984 года.

Результаты и открытия

Научной целью эксперимента CDHS было изучение взаимодействий нейтрино высокой энергии. Когда входящие нейтрино (или антинейтрино) взаимодействовали с целевым железом , либо заряженный ток (
ν
+ Fe →
μ⁺
+ что угодно) или нейтральный ток (
ν
+ Fe →
ν
+ что угодно) события могут быть произведены. ^[2]

Одной из главных целей эксперимента было определение соотношения между нейтральными и заряженными инклюзивными сечениями нейтрино , из которого можно было бы вывести угол Вайнберга . ^[10] Нейтральные токи ранее были обнаружены экспериментом Гаргамель , который также дал первые оценки угла Вайнберга. Результаты были подтверждены и измерены с гораздо более высокой точностью CDHS, что позволило предсказать массу верхнего кварка до его открытия на Тэватроне с точностью приблизительно ±40 ГэВ. ^[11]^[10]

Другие измерения, касающиеся электрослабого взаимодействия в рамках стандартной модели, включали измерение более одного мюона ; т.е. димюонные и тримюонные события. ^[12]^[13]

Результаты, полученные в CDHS, обеспечили экспериментальное подтверждение стандартной модели , в то время, когда эта модель все еще находилась в стадии тестирования. Важным шагом в этом отношении стала фальсификация предполагаемой «аномалии высокого y». Значение y характеризует неупругость столкновений нейтрино, т. е. оно измеряет количество энергии, которое входящее нейтрино передает адронам во время их столкновения. Эксперименты в Fermilab обнаружили так называемую «аномалию высокого y», которая бросила вызов стандартной модели. Однако результаты CDHS опровергли эти выводы, укрепив стандартную модель . ^[14]

CDHS исследовал структурные функции нуклона , что позволило ученым подтвердить теорию квантовой хромодинамики (КХД). ^[15]^[8] Эта работа включала определение константы связи КХД , проверку кварка (s = ⁠ $\альфа _{\текст{s}}$ 1/2⁠ ) и спин глюона (s = 1) , а также фальсификация как абелевых теорий сильных взаимодействий , так и теорий, основанных на скалярных глюонах. ^[9]^[15] Кроме того, эксперименты дали представление о структуре нуклона , исследуя распределение глюонов , кварков и антикварков внутри него. Результаты CDHS соответствовали кварковой партонной модели , которая приписывала кваркам точечные партоны . ^[10] В этом контексте также было подтверждено, что число валентных кварков в нуклоне равно 3. ^[16] Наконец, результаты CDHS позволили определить распределение импульсов странных кварков и антикварков внутри нуклона . ^[17]

В последние годы своей работы коллаборация CDHS занималась поиском нейтринных осцилляций . Хотя это явление не удалось подтвердить с помощью нейтринного пучка большой энергии ЦЕРНа, эта попытка повлияла на последующие эксперименты, которые в конечном итоге обнаружили нейтринные осцилляции . ^[18]

Внешние ссылки

Домашняя страница: Эксперимент CDHS Neutrino
WA1 на INSPIRE-HEP

Ссылки

^ ab Сервер документов ЦЕРН: Ежегодный отчет 1976 (Отдел экспериментальной физики) Получено 14 августа 2018 г.
^ ab Holder, M.; et al. (1978). «Детектор для высокоэнергетических нейтринных взаимодействий». Nuclear Instruments and Methods . 148 (2): 235– 249. Bibcode : 1978NucIM.148..235H. doi : 10.1016/0029-554X(70)90173-4.
^ ab Сервер документов ЦЕРН: Предложение по изучению взаимодействий нейтрино высоких энергий на SPS Получено 13 августа 2018 г.
^ Сервер документов ЦЕРН: Меморандум по предложению Получено 13 августа 2018 г.
^ Сервер документов ЦЕРН: Меморандум — конструкция и физика предлагаемого мюонного спектрометра Получено 16 августа 2018 г.
^ Сервер документов ЦЕРН: Запрос на одобрение программы усовершенствования WA1 Получено 14 августа 2018 г.
^ Сервер документов ЦЕРН: Новые разработки в WA1 (Выпуск бюллетеня ЦЕРН № 7/1982) Получено 14 августа 2018 г.
^ ab Berge, P.; et al. (1991). "Измерение дифференциальных сечений и структурных функций нуклонов во взаимодействиях нейтрино с заряженным током на железе". Zeitschrift für Physik C. 49 ( 2): 187– 223. doi :10.1007/BF01555493. S2CID 124390593.
^ Аб Абрамович, Х.; и др. (1984). «Измерение структурных функций нейтрино и антинейтрино в водороде и железе». Zeitschrift für Physik C. 25 (1): 29–43 . Бибкод : 1984ZPhyC..25...29A. дои : 10.1007/BF01571954. S2CID 121625052.
^ abc CERN Document Server: WD Schlatter - Основные моменты экспериментов с нейтрино высокой энергии в CERN Получено 14 августа 2018 г.
^ Holder, M.; et al. (1977). «Измерение отношения сечения нейтрального тока к заряженному во взаимодействиях нейтрино и антинейтрино». Physics Letters B. 71 ( 1): 222– 226. Bibcode :1977PhLB...71..222H. doi :10.1016/0370-2693(77)90783-3.
^ Холдер, М.; и др. (1977). «Наблюдение событий тримюона, возникающих при взаимодействии нейтрино и антинейтрино». Physics Letters B. 70 ( 3): 393– 395. Bibcode : 1977PhLB...70..393H. doi : 10.1016/0370-2693(77)90685-2.
^ Hansl, T.; et al. (1978). «Происхождение событий тримюона во взаимодействиях нейтрино высокой энергии». Physics Letters B. 77 ( 1): 114– 118. Bibcode :1978PhLB...77..114H. doi :10.1016/0370-2693(78)90214-9.
^ Холдер, М.; Кноблох, Дж.; Мэй, Дж.; Паар, HP; Палацци, П.; Шлаттер, Д.; Стейнбергер, Дж.; Сутер, Х.; Валь, Х.; Уильямс, EGH; Эйзель, Ф.; Гевенигер, К.; Кляйнкнехт, К.; Спан, Г.; Виллуцкий, Х.-Дж.; Дорт, В.; Дыдак, Ф.; Хепп, В.; Титтель, К.; Вотшак, Дж.; Блох, П.; Дево, Б.; Гримм, М.; Майяр, Дж.; Пейо, Б.; Рандер, Дж.; Савой-Наварро, А.; Терли, Р.; Наваррия, Флорида (1977). «Существует ли аномалия High- y {\displaystyle y} во взаимодействиях антинейтрино?». Physical Review Letters . 39 (8): 433– 436. Bibcode : 1977PhRvL..39..433H. doi : 10.1103/PhysRevLett.39.433.
^ ab H. Abramovicz: Тесты КХД и неасимптотически свободных теорий сильного взаимодействия с помощью анализа структурных функций нуклона x F 3 , F 2 {\displaystyle xF_{3},F_{2}} и q Получено 15 августа 2018 г.
^ Информационный бюллетень CERN Департамента EP: Интервью с Филиппом Блохом Получено 16 августа 2018 г.
^ Абрамович, Х.; и др. (1982). «Экспериментальное исследование димюонов противоположного знака, образующихся при взаимодействиях нейтрино и антинейтрино». Zeitschrift für Physik C. 15 (1): 19–31 . Бибкод : 1982ZPhyC..15...19A. дои : 10.1007/BF01573422. S2CID 120216054.
^ Дыдак, Ф.; Фельдман, Дж.Дж.; Гайо, К.; Мерло, JP; Мейер, Х.-Дж.; Ротберг, Дж.; Стейнбергер, Дж.; Таурег, Х.; фон Рюден, В.; Ваксмут, Х.; Валь, Х.; Вотшак, Дж.; Блюмер, Х.; Бухгольц, П.; Дуда, Дж. (1984). «Поиск колебаний νμ в диапазоне 0,3–90 е V 2 {\displaystyle eV^{2}}». Буквы по физике Б. 134 ( 3–4 ): 281–286 . doi :10.1016/0370-2693(84)90688-9.

[annual-1] Сервер документов ЦЕРН: Ежегодный отчет 1976 (Отдел экспериментальной физики) Получено 14 августа 2018 г.

[detector-2] Holder, M.; et al. (1978). «Детектор для высокоэнергетических нейтринных взаимодействий». Nuclear Instruments and Methods . 148 (2): 235– 249. Bibcode : 1978NucIM.148..235H. doi : 10.1016/0029-554X(70)90173-4.

[proposal-3] Сервер документов ЦЕРН: Предложение по изучению взаимодействий нейтрино высоких энергий на SPS Получено 13 августа 2018 г.

[memorandum-4] Сервер документов ЦЕРН: Меморандум по предложению Получено 13 августа 2018 г.

[memo74-5] Сервер документов ЦЕРН: Меморандум — конструкция и физика предлагаемого мюонного спектрометра Получено 16 августа 2018 г.

[6] Сервер документов ЦЕРН: Запрос на одобрение программы усовершенствования WA1 Получено 14 августа 2018 г.

[7] Сервер документов ЦЕРН: Новые разработки в WA1 (Выпуск бюллетеня ЦЕРН № 7/1982) Получено 14 августа 2018 г.

[new-8] Berge, P.; et al. (1991). "Измерение дифференциальных сечений и структурных функций нуклонов во взаимодействиях нейтрино с заряженным током на железе". Zeitschrift für Physik C. 49 ( 2): 187– 223. doi :10.1007/BF01555493. S2CID 124390593.

[abra2-9] Аб Абрамович, Х.; и др. (1984). «Измерение структурных функций нейтрино и антинейтрино в водороде и железе». Zeitschrift für Physik C. 25 (1): 29–43 . Бибкод : 1984ZPhyC..25...29A. дои : 10.1007/BF01571954. S2CID 121625052.

[highlights-10] CERN Document Server: WD Schlatter - Основные моменты экспериментов с нейтрино высокой энергии в CERN Получено 14 августа 2018 г.

[11] Holder, M.; et al. (1977). «Измерение отношения сечения нейтрального тока к заряженному во взаимодействиях нейтрино и антинейтрино». Physics Letters B. 71 ( 1): 222– 226. Bibcode :1977PhLB...71..222H. doi :10.1016/0370-2693(77)90783-3.

[12] Холдер, М.; и др. (1977). «Наблюдение событий тримюона, возникающих при взаимодействии нейтрино и антинейтрино». Physics Letters B. 70 ( 3): 393– 395. Bibcode : 1977PhLB...70..393H. doi : 10.1016/0370-2693(77)90685-2.

[13] Hansl, T.; et al. (1978). «Происхождение событий тримюона во взаимодействиях нейтрино высокой энергии». Physics Letters B. 77 ( 1): 114– 118. Bibcode :1978PhLB...77..114H. doi :10.1016/0370-2693(78)90214-9.

[14] Холдер, М.; Кноблох, Дж.; Мэй, Дж.; Паар, HP; Палацци, П.; Шлаттер, Д.; Стейнбергер, Дж.; Сутер, Х.; Валь, Х.; Уильямс, EGH; Эйзель, Ф.; Гевенигер, К.; Кляйнкнехт, К.; Спан, Г.; Виллуцкий, Х.-Дж.; Дорт, В.; Дыдак, Ф.; Хепп, В.; Титтель, К.; Вотшак, Дж.; Блох, П.; Дево, Б.; Гримм, М.; Майяр, Дж.; Пейо, Б.; Рандер, Дж.; Савой-Наварро, А.; Терли, Р.; Наваррия, Флорида (1977). «Существует ли аномалия High- y {\displaystyle y} во взаимодействиях антинейтрино?». Physical Review Letters . 39 (8): 433– 436. Bibcode : 1977PhRvL..39..433H. doi : 10.1103/PhysRevLett.39.433.

[abra-15] H. Abramovicz: Тесты КХД и неасимптотически свободных теорий сильного взаимодействия с помощью анализа структурных функций нуклона x F 3 , F 2 {\displaystyle xF_{3},F_{2}} и q Получено 15 августа 2018 г.

[16] Информационный бюллетень CERN Департамента EP: Интервью с Филиппом Блохом Получено 16 августа 2018 г.

[17] Абрамович, Х.; и др. (1982). «Экспериментальное исследование димюонов противоположного знака, образующихся при взаимодействиях нейтрино и антинейтрино». Zeitschrift für Physik C. 15 (1): 19–31 . Бибкод : 1982ZPhyC..15...19A. дои : 10.1007/BF01573422. S2CID 120216054.

[18] Дыдак, Ф.; Фельдман, Дж.Дж.; Гайо, К.; Мерло, JP; Мейер, Х.-Дж.; Ротберг, Дж.; Стейнбергер, Дж.; Таурег, Х.; фон Рюден, В.; Ваксмут, Х.; Валь, Х.; Вотшак, Дж.; Блюмер, Х.; Бухгольц, П.; Дуда, Дж. (1984). «Поиск колебаний νμ в диапазоне 0,3–90 е V 2 {\displaystyle eV^{2}}». Буквы по физике Б. 134 ( 3–4 ): 281–286 . doi :10.1016/0370-2693(84)90688-9.