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结构与动力学

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欧洲核子研究组织(CERN)为新实验做准备

今年将是大型强子对撞机(LHC)的休耕年。该加速器及其实验仍在升级,全长27公里的对撞机要到2015年才能重新启动。但是,在日内瓦附近的CERN粒子物理实验室,一切并不平静:将质子送入LHC的加速器–质子同步加速器(PS)和超级质子同步加速器(SPS)都将在2014年下半年启动,这意味着CERN今年的许多实验都应采用数据,包括一些全新的实验。

一个新的实验启动了一个比较平常的名字 NA62,而从事此工作的物理学家目前正处于在SPS上安装270米长的实验的最后阶段。 SPS本身的周长为7公里,其实验是在CERN进行的’s “North Area”,NA62就是其名称的一部分(62只是一个递增的实验编号)。根据CERN标准,NA62的合作规模很小,但它仍然由全球20个研究所的约150名物理学家组成。他们的主要目的是对带正电的kaon衰减为带正电的介子加上中微子/反中微子对的概率进行极其精确的测量。

衰减概率似乎是一个不可思议的价值,但是作为协作成员 约翰·弗莱 英国利物浦大学的一位教授解释说,衰变本身就是“真正挑战粒子物理学标准模型的几种方式之一”。不幸的是,测量衰减远非易事。“这是一个非常罕见的过程,其发生的可能性约为100亿分之一,” explains CERN’s 朱塞佩·鲁杰罗(Giuseppe Ruggiero),他是NA62的物理协调员。

微小的量子涨落

LHC的实验也试图挑战标准模型,但是NA62采用了不同的方法。 NA62并没有寻找高能量的质子,而是希望在各个方向飞散的大量粒子中寻找新的物理学线索,而是寻找特定衰变过程中微小的量子波动的证据。卡昂包括上夸克和反奇怪夸克。夸克是“spectator”它不参与衰变,而反奇怪的夸克被转换为反下降的夸克。根据标准模型,这是通过量子环发生的,并且跃迁的概率已经被高度精确地计算出来了。

但是,迄今为止,标准模型无法预测的未知粒子也可能会导致量子环路。这些粒子例如可以是“sparticles”被粒子物理学的超对称模型预测为存在。这些粒子不是在衰变的最终产物中显示自己,而是以量子涨落的形式出现,然后在消失之前对量子环路做出贡献。这些波动可能导致与标准模型衰减率的显着偏差–并测量差异是NA62的主要目标。

NA62实验首先将来自SPS的400 GeV质子的强光束击穿40 cm长的铍靶。这种碰撞产生了每秒约8亿个带电粒子的混合束。这些粒子大多数是介子和质子,只有6%是感兴趣的钾。

烫金

然后,光束通过称为KTAG的Cherenkov检测器发送,该检测器通过它们产生的Cherenkov辐射识别各个钾离子。尽管束中的所有粒子都具有相同的动量,但质子,介子和质子具有不同的质量,因此以不同的速度行进。因此,它们以不同的角度产生切伦科夫辐射,通过测量这些轨迹,KTAG可以识别出各个钾离子并为每个钾离子提供一个“time stamp”这样就可以在整个实验的后续阶段跟踪kaon。

接下来,kaon会遇到Gigatracker,这是一个硅像素检测器,可以高精度地测量每个kaon的动量。需要这种精度才能匹配“mother” kaon to the “daughter” pion that it decays to. The kaons then drift through a 65 m section of the experiment where about 10% of them will decay. At this point the attention shifts to measuring the momentum of the 女儿 pions, which is done using a device dubbed the Straw Tracker. It has more than 7000 narrow drift tubes that are arranged into modules containing rows at right angles to each other.

Finally, a second Cherenkov detector called RICH measures the speed of each pion. This value allows the physicists to confirm that they were actually tracking a 女儿 pion rather than a 女儿 muon, which is produced in much greater numbers. There are in addition several other detectors that measure the decay products to ensure that only events associated with the desired decay channel are captured.

超越标准模型

NA62协作计划在其计划于2014年底进行的八周内看到约两次衰变事件。然后该实验将继续进行三年,总共应产生约100个事件。如果从标准模型预测的衰减率中测得的衰减率相差两倍,则NA62将能够以5σ的统计不确定性进行测量,这是粒子物理学中发现的黄金标准。换句话说,到2017年底,NA62可能会发现标准模型之外的物理学,这是它在大型强子对撞机上进行的更大姊妹实验– ATLAS和CMS –到目前为止还没有做到。

除了主要目标外,NA62还将寻求证明“flavour violation”通过寻找会衰减到标准模型中无法出现的最终状态的kaon。这项合作还将对两个相似的凯恩衰变过程进行非常精确的比较,一个过程变成电子和中微子,另一个过程变成介子和中微子。这两个过程的衰减率之比对标准模型以外的物理敏感。

很快我们将准备向大自然提问
欧洲核子研究组织(CERN)奥古斯托·切丘奇

“经过多年的建设,一切都融为一体,软件也融为一体,学生们已经准备好了物理程序,不久我们将准备向大自然提问,” says 奥古斯托·切丘奇 CERN的发言人,他是NA62的发言人。

在上面的视频中,切丘奇和三位同事讨论了NA62的物理原理以及如何计划和构建该实验。

一年的新创业

除了NA62外,今年CERN还将启动许多其他项目。它们包括研究反物质特性的新实验,这两个实验都将利用CERN’现有的反质子减速器(广告 )。该设施将质子同步加速器中的质子发射到一块金属中,以产生高能反质子,然后在使用前将其放慢。欧洲核子研究组织’s的反质子应该在8月1日和AD再次可用’现有的四个实验-ACE,ALPHA,ASACUSA和ATRAP-都将利用它们。

广告 上的新实验之一是 地理信息系统,这是第一个专门用于测量地球的设计’引力反物质。这可以通过测量一束抗氢原子在行进的水平距离时落下的垂直距离来完成。即使发现物质的引力行为与反物质之间的微小差异,也可能会揭开谜团,例如为什么宇宙中反物质如此之少。但是,制造由反质子和正电子组成的抗氢绝非易事,而AEGIS团队将在2014年的大部分时间中对其抗氢发生器和射束创建装置进行微调。

第一次在AD上运行是一个反质子实验,称为 基础,旨在对反质子的磁矩进行最精确的测量。通过利用磁场和电场捕获单个反质子,BASE物理学家旨在将当前的磁矩实验值提高几个数量级。通过对质子进行相同的测量,BASE可以揭示出其磁矩的微小差异。这种差异将意味着违反了CPT对称性(据我们所知,它是自然界的基本对称性),这将指向标准模型之外的物理学。

同时,在CERN ’的Super Proton Synchrotron,现有的实验,例如用于结构和光谱学的Common Muon和Proton仪器(罗盘)将于2014年投入运营。

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