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粒子和互动

粒子和互动

在发现的道路上

01 Mar 2011

最精力充沛的质子–观察到的质子碰撞现已在Cern的大型强子撞机中生产。在两个文章中的第一个, Tommaso Dorigo.. 解释了推动撞机的研究人员的驱动器急切地在夜晚享受令人醒来的数据

醒来,渴望

墙壁用电脑屏幕涂抹。大多数展示广泛的信息,不断流入,关于加速器或子检测器元素的状态。但是,如果你走进撞机正在进行数据,那么最重要的是硬件最不有用的硬件:一个大型,彩色的平板显示器在班次领导者前面设置高 ’S座位,其中在碰撞中产生的重建轨道和能量沉积的快照,在颜色的3D orgy中连续播出(参见“What the pixels show” below).

屏幕每隔几秒钟刷新一次新的碰撞,所以如果你想花更多时间检查最后一个,那么它就会有更多的时间:它将被记录在某处的数据文件中,但你永远不会再看到它。数百万这样的“events” –用于描述颗粒碰撞的术语,以及导致几百兆字节的数据–每天都在巨大的内在中心被称为“Tier zero”,磁带机器人处理并存储宝贵的原始数据,数千个CPU执行粒子轨迹和能量的第一个完整的重建。你在屏幕上注意的人本身就没有了–随着事件显示程序的随机选择,它仅被提升到短暂的荣耀。

欢迎来到Compact Muon Solenoid(CMS)的控制室,这是日内瓦外的Cern粒子物理实验室运行的四个实验之一(图1)。在这里,在其他三个命令中心,研究人员在运行监控程序的电脑屏幕前面的工作转变,花费繁忙的日子和不眠之夜,这些程序采用探测器组件的脉冲,数据收集硬件和各种电子产品。夜晚比现在的数据更好:每个人都更专注;手机不响;和数据静静地累积在存储硬件中。

零的宝贵弦乐和长期不受干扰。强大的计算机网络将重建数据持续将重建数据复制到世界各地的不同区域中心,其中巨大的并行CPU重新处理信息,产生浏览到全球广播到最终目的地的脱脂数据集–一系列较小的区域中心。在那里,数据文件通过研究人员在长队列中部署的Avid程序中被吸入。就像礼貌的人那样,这些程序默默地等待他们转向旋转数据磁盘,并为设计它们的分析仪产生蒸馏信息。

将氢原子转化为暴力质子的机器和大脑的巨大努力–质子碰撞,然后将这些变为数据分析图,令人惊讶的是无缝且非常快。大型特罗龙撞机(LHC)实验与Tevatron,美国的实验之间存在明显竞争’s proton–在Fermilab的Antiproton碰撞者在伊利诺伊州,尽管后者’迫在眉睫的消亡。在奔跑的几年里跑了25年,由于今年年底退役,Tevatron不愿意将现场留给其年轻,更强大的欧洲同行,并试图抓住Higgs Boson的第一个微弱的一瞥在其CERN竞争对手发现之前。甚至更多,两种主要的LHC实验之间存在家庭竞争:阿特拉斯和CMS。这两个大型合作的挑战不仅要找到Higgs Boson的信号;也许更令人兴奋,他们也会试图找出哪一个“new physics”已经在理论家的黑板上的场景是后续行动“Standard Model”粒子物理学。任务正在填写我们迷人的故事的空白页。

基本问题

通过一个世纪的调查和一系列实验观察,粒子物理学家已经积累了对最短长度尺度的重要知识,其中包括少量由四个力作用的基部体(图2)。我们知道物质由二十名污垢组成–六个leptons和18夸克–交换十几个玻色子互动;奇数播放器是单一的另外的粒子,其特征在于粒子的真空激发的令人兴奋。 LHC可以产生足够的能量“shake”这种真空终于可以观察到那些“Higgs vibrations”这是40多年前的假设,但到目前为止逃脱了实验证实。

LHC实验已经设计,具有明确的目的,可以找到一个丢失的块。然而,即使是贝斯逊,因为标准模型看起来令人愉悦和整洁,它必须不完整。像牛顿一样’既理力学理论,我们现在明白是爱因斯坦的小速逼近’■相对论理论,标准模型被认为是我们所说的 有效理论 –仅在受限制的能量范围内工作的那种。该理论开始破裂和新现象的能量变得明显是未知的,但理论争论表明它在新加速器的范围内很好。

研究人员在一个巨大的未知洞穴的一个小角落里被限制在一个巨大的未知洞穴的小角落里,他们已经履行了他们可以利用可用技术的所有领土;然而,他们的幻想在于之外,从未停止过。 LHC是一款强大的新灯,能够照亮巨大的未开发土地。在铸造灯光的地方,我们希望我们最终将与我们的低能量有效理论有所帮助。这些新现象应该为我们提供我们需要的重要提示,以便回答一些唠叨的问题并扩大我们对自然的理解。例如,为什么只有三代物质领域,而不是四个或五个或10?或者,也许是一个主人“supersymmetric”粒子镜像我们已经了解的那些?也许这些粒子尚未发现,因为它们太大了,因此不可能通过不强大的加速器产生的碰撞来实现。并且是空间–真的是4d,或者我们可以生产跳进其他尺寸的粒子吗?如果我们继续扩大搜索,这些和其他至关重要的问题只能找到实验答案。

铸造新的光线

新灯现在终于打开了,但这不是一个无痛的开始。 LHC的庆祝活动’S 2008年9月10日的启动只有八天后停止了其2132个偶极磁铁中的两个电气连接的故障:热量蒸发六吨液氦,爆炸从中产生了损坏的冲击波这是27岁的几百米 KM地下戒指并强迫加速器计划的一年延迟。必须将53个磁体延长到表面,修复或由备件替换,并在隧道中重新安装。进行了对事故原因的全面调查,设计安全系统以防止将来类似的灾难。

自2009年11月的LHC以0.45的能量重新启动 每梁Tev,它一直在罚球;但仍然需要在储存能量中谨慎升级。逐点点,耐心耐心,操作加速器的物理学家和工程师已经提高了循环质子的能量,以及它们的数量,同时煞费苦心地寻找最好的“tunes”:轨道参数避免使用机器的梁的电磁共振,否则会导致不稳定性并降低光束的寿命。

虽然梁的质量始终始终超过预期,但到目前为止仅达到每梁的最大质子的十分之一,并且总碰撞能量为7 TEV现在正在制作的是14的设计目标的一半 TeV. Still, 7 Tev是Tevatron在Tevatron所取得的三倍以上,允许调查大量的新的未开发领土。最新的时间表是LHC留在7 TEV直到2012年底,升级到8 TEV或更多是可能的。然后,在2013年全年停机后完成额外安全系统的调试,机器将逐步提升到其14 TeV maximum.

粒子物理学家需要更高的能量来看更深,但它们还需要更加强烈的光明和观察时间来解决它们更清楚的东西;为他们,能量和强度–或者如果您考虑建立强烈信号需要多长时间的时间–是同一枚硬币的两面。 2009年11月,随着第一次碰撞的新闻在全球广播,很容易发现好奇的非物理学家询问实验的结果是什么,但很难向他们解释为什么它可能持续至少另外二十年。新粒子或未知效果的信号并未一旦开关被轻拂并且发生冲突:它将首先出现在模型预测的观察到数据的小偏离,并且只有累积更多的数据将成为明确的证据,以证明新现象。

更重要的是,如果要发布,任何新物理学的证据都更好地成为岩石扎实。尽管已经超过40岁了,但标准型号只需要调整一次:最初认为中微子(带电的Leptons e的合作伙伴,μ and τ,见图2)是无大量的,但在1998年期待已久的实验证据表明它们具有小但非零质量。自20世纪70年代初的概念以来,标准模型已经受代表如此详细且精确的测试,没有物理学家将采取无法轻易描述观察到的现象的索赔。实际上,在LHC实验上工作的数千名研究人员将为声称新物理学的任何科学结果提供深入的内部审查。当他们让它提交最终出版物时,所选期刊’S同伴审查过程就像是票据检查员的无聊瞥眼相比之下。

寻找证据

典型的 Modus Operandi. 寻找新的粒子信号或新现象涉及几个步骤。首先,必须验证探测器’对于已知现象的响应很好地理解并匹配计算机模拟中的预期。测试颗粒包括电子,μONs,光子和中微子,以及准直的颗粒物流,或“jets”,通过碰撞粒子来源自充满活力夸克或胶水(见“What the pixels show”以下)。所寻求的过程可以产生这些对象的组合,并且需要模拟,以便准确地预测它们将在探测器中产生的信号。

第二步涉及选择包含被搜索的特定签名的事件;例如,如果目标是找到据信的巨大粒子,则在崩解时产生一对夸克,那么可以选择仅分析观察到两个能量喷射的事件(再次,见“What the pixels show”以下)。第三,研究人员通常对签名进行一些微调’要求:选择事件,其中产生的颗粒正交地向光束或其何处发射,因为这些是最有趣的事件。以小角度与光束产生的颗粒不会发生大部分动量变化,因此更可能源自背景过程。该步骤的重点是丢弃我们已经了解的物理过程,以标准模型(其实际上是搜索中的不需要的背景噪声),同时保持尽可能多的事件,这可能包含新的粒子信号。在最终样本中仍然存在的背景越少,这更可能是新过程引起的一些小异常会变得可见。

在寻找新物理学的最后一步中,通常使用统计数据来推断信号是否由实际效果或仅随机变化引起。将所选数据的观察到的大小和特征与两个不同的假设进行比较:“null” and the “alternate”。根据NULL假设,数据完全来自已知的标准模型过程;根据替代假设,数据还包含新的粒子信号。如果数据和空假设之间存在重大分歧,以及与替代方面更好的协议,研究人员然后估计了纯粹机会发生这种现象的可能性。它们通常将其转换为单位“standard deviations” –通常由希腊字母Sigma(σ). A “3σ significance”如果整个实验重复一千倍,则仅通过单独的背景波动(即,没有任何信号贡献)产生的效果。据说这种发生是构成可能信号的证据,但统计波动通常仍然是最可能的原因。一种“5σ significance”而据地描述了随机发生的机会小于数千万的几个部分的效果,并且同意足以索取观察新的粒子或现象。

不幸的是,对于诺贝尔饥饿的粒子寻求者,大多数搜索都没有新的信号:数据适合效果很好;标准偏差仍然接近零;并且可以将斯德哥尔摩的飞行持有。尽管如此,即使是否定结果也包含有用的信息:Consolation奖品是在日志中发布。从数据的分歧程度与交替假设的分歧中可以实际上提取和发布a“95%的置信度上限”在LHC碰撞可能创造正在寻求的新粒子的速率。这意味着当没有找到信号时,物理学家得出结论,粒子不存在(其在LHC碰撞中的创建速率为零),或者它的产生太少:它们中很少将包含在数据中为了他们的存在可检测到。这些限制是理发师的有用指南,其模型需要避免以通过实验搜索已经排除的速率预测碰撞中产生的新颗粒。

LHC现在进一步铸造光线。如果有任何东西可以发现,许多人正在投注今年CMS和阿特拉斯协作会报告。这些新搜索的兴奋与诸如持续分析的状态的内部会议,呈现出持续分析的状态,与研究人员一起包装,与他们的孩子般的热情不断平衡他们的孩子般的态度新发现。 LHC终于证明了它的价值20 它的原始设计年后几年?在随附的文章中提供了可能在未来几个月内达到新闻的发现的描述(“新物理的签名” pp26–30印刷品和数字版– see below).

像素显示的是什么

此事件显示显示在众多CMS控制室屏幕之一上,为研究人员提供了几秒钟的随机选择的碰撞的快照。一旦接受了如何解释这些数字的培训,就会快速浏览他们的意义。这里的活动是一个质子–质子碰撞。左侧的图形显示了记录的信号,因为观察者沿着通过CMS检测器运行的光束线看起来可以看到。带电粒子在磁场中遵循弯曲路径,并且它们的轨道(绿色)从其在称为硅跟踪器的仪器中离开的电离沉积物重建。最有能量的颗粒是最少的,这里是两个颗粒的一部分“jets”。喷射器容易通过垂直于梁的高动量识别(红色和蓝色,标记为“pT“).

喷气机是夸克和胶合的最新表现,碰撞质子的成分。硬碰撞包括两个成分在相反方向上相互踢动。随着夸克和粘性从质子中排出,它们被保持质子在一起的强力放缓。所得到的辐射产生准直粒子的流。

在右侧,圆柱形探测器已经存在“unrolled on a plane”沿方位角φ展示粒子击中的地方。高能量碰撞是最有趣的,它们通常在垂直于梁附近产生颗粒;发射角与称为伪型快速的量相关联,η,近垂直角度接近零。以靠近光束的角度检测到的粒子具有大的正或负值η。图中彩色条的高度对应于横向能量, ET。标记的两个细胞簇“Jet 1” and “Jet 2”源自两个夸克或胶水“back to back”, i.e. in opposite φ向进入质子正交的方向。这里显示的事件没有随机选择–它是CMS检测器在2010年记录的最高能量碰撞之一。

•通过Tommaso Dorigo读取伴随的功能“新物理的签名”请在CERN的商店中审视令人兴奋的发现 按照此链接 到数字问题 物理世界。本文为物理研究所的所有成员免费。如果你还没有成员, 为什么不加入 for just €15/£20/$25 per year.

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