Γενικά σχόλια
Αριστερά: η εγκάρσια τομή, η προβολή εγκάρσια στις δέσμες που συγκρούονται. Εδώ μόνο το κυλινδρικό μέρος του ανιχνευτή ATLAS είναι ορατό. Ως εκ τούτου τροχιές που πηγαίνουν προς τα εμπρός εμφανίζονται ως κοντές γραμμές (καθώς δεν ανιχνεύονται από ορισμένα εξωτερικά μέρη του ανιχνευτή)
Δεξιά: είναι η πλευρική όψη, η προβολή προς την κατεύθυνση των συγκρουόμενων δεσμών. Όλα τα μέρη του ανιχνευτή ATLAS (το κυλινδρικό καθώς και οι δυο δίσκοι) είναι ορατά σε αυτή την προβολή, και όλες οι τροχιές καταγράφονται. Η γραμμή στο ρ=0 cm είναι ο τόπος όπου κυκλοφορούν τα πρωτόνια. Ως εκ τούτου δεν υπάρχουν ανιχνευτές κοντά σε αυτή τη γραμμή, δεδομένου ότι θα υπέφεραν από την ισχυρή ακτινοβολία.
Και οι δύο όψεις μπορούν να μεγεθυνθούν ξεχωριστά χρησιμοποιώντας το εργαλείο μεγέθυνσης.
ΑΣΚΗΣΗ I : Κοιτάζοντας τα γεγονότα
Ρίξτε μια ματιά στα διάφορα γεγονότα χρησιμοποιώντας τα κουμπιά "Επόμενο", "Προηγούμενο". Σε αυτό το στάδιο, παρατηρήστε τον αριθμό των τροχιών ανά γεγονός και τη κατανομή τους σε κάθε όψη.
Ερώτηση: Σε ποιά όψη πιστεύετε οτι διατηρείται η ορμή;
ΑΣΚΗΣΗ II : Δουλεύοντας με τα σωματίδια - Ξεχωρίστε τα ηλεκτρόνια από τα μυόνια
Εδώ θα εξετάσουμε τα διάφορα είδη των τροχιών. Όπως εξηγήσαμε, τα μυόνια θα πρέπει να φθάνουν στους ανιχνευτές μυονίων (μπλέ θάλαμοι) σε τουλάχιστον μία από τις όψεις και τα ηλεκτρόνια θα πρέπει να σταματούν στα ηλεκτρομαγνητικά θερμιδόμετρα (πράσινος δακτύλιος) αποθέτοντας σημαντική ενέργεια εκεί (κίτρινα σημάδια) σε τουλάχιστον μία από τις όψεις.
Φτιάξτε έναν πίνακα με τουλάχιστον 10 ηλεκτρόνια και 10 μυόνια με τον αριθμό γεγονότος τους, pT, φορτίο (που θα βρείτε στη δεύτερη στήλη του πίνακα τροχιών) και τις γωνίες τους.
Ερώτηση: Ερευνήστε τη λειτουργία του cut. Τι συμβαίνει αν αυξήσετε το κατώφλι του p; Εξηγήστε γιατί.
ΑΣΚΗΣΗ III: Ανακαλύπτοντας/Ανακατασκευάζοντας το σωματίδιο Z0
Συνδυάστε τα προϊόντα σωματιδίων που διασπώνται για να παρατηρήσετε και να μετρήσετε αόρατα σωματίδια
Όταν βλέπετε δύο ή περισσότερα ίχνη σωματιδίων στον ανιχνευτή, "τροχιές" σε ένα "γεγονός", που προέρχονται απο το ίδιο σημείο, το οποίο ονομάζουμε "κορυφή", μπορεί να ανήκουν σε ένα αρχικό σωματίδιο που διασπάστηκε σε αυτά τα κομμάτια. Προκειμένου να ελεγχθεί η υπόθεση αυτή πρέπει κανείς να υπολογίσει την "αναλλοίωτη μάζα" του αρχικού σωματιδίου και να ερευνήσει εάν αυτά τα προϊόντα διάσπασης του προήλθαν από το ίδιο σωματίδιο. Με άλλα λόγια, να ερευνήσει αν τα προϊόντα, τα δύο μυόνια ή δύο ηλεκτρόνια στην περίπτωσή μας, ανήκουν στην διάσπαση του σωματιδίου Z0 που έχει μάζα περίπου 91 GeV
Για το σκοπό αυτό, πρέπει κανείς να βρει δύο μυόνια ή δύο ηλεκτρόνια (ακολουθώντας τις οδηγίες της άσκησης ΙΙ) και να χρησιμοποιήσει τα κουμπιά "Ηλεκτρόνιο" ή "Μυόνιο" δύο φορές για να τα εισάγει στον πίνακα αναλλοίωτης μάζας ο οποίος υπολογίζει αυτόματα την αναλλοίωτη μάζα, που εμφανίζεται στη στήλη mll. Αν η αναλλοίωτη μάζα υπολογίζεται απο ζεύγος ηλεκτρονίων τότε το σύμβολο "e" εμφανίζεται στην τελευταία στήλη, αλλιώς αν υπολογίζεται απο ζεύγος μυονίων εμφανίζεται το σύμβολο "μ". Σημειώστε ότι συνδυασμοί ενός μυονίου και ενός ηλεκτρονίου δεν επιτρέπονται, επειδή παραβιάζουν τη διατήρηση του λεπτονικού αριθμού. Μπορείτε επίσης να διαγράψετε τροχιές με το κουμπί "Διαγραφή Τροχιάς" και να την αντικαταστήσετε με άλλη.
Ερώτηση 1: Υπολογίστε την αναλλοίωτη μάζα δυο τροχιών χρησιμοποιώντας τον αναλυτικό τύπο για δυο σωματίδια. Αυτό μπορεί να γίνει αντιγράφοντας τις ορμές σε ενα αρχείο excel. Συγκρίνετε τα αποτελέσματα σας με αυτά του πίνακα αναλλοίωτης μάζας.
Ερώτηση 2: Για τον υπολογισμό της μάζας του Z0 διαλέγετε τροχιές με το ίδιο ή αντίθετο φορτίο;
Ερώτηση 3: Πως ξεχωρίζετε τους συνδυασμούς δυο ηλεκτρονίων ή δυο μυονίων απο το υπόβαθρο;
Ερώτηση 4: Πόσο κοντά στα 91 GeV πρέπει να είναι η mll, για να είσαστε σίγουροι οτι ανακαλύψατε το Z0;
ΑΣΚΗΣΗ IV: Ιστογράμματα - Υπολογισμός πλάτους
Κατασκευάστε ιστογράμματα ανακατασκευασμένων Z0 μαζών ξεχωριστά γι αυτά που διασπώνται σε ζεύγη ηλεκτρονίων (χρησιμοποιώντας το ιστόγραμμα mee) και μυονίων (χρησιμοποιώντας το ιστόγραμμα mμμ). Σημειώστε την μέση τιμή και την τιμή του rms απο κάθε ιστόγραμμα.
Ερώτηση 1: Είναι οι μάζες (μέση τιμή) mee και mμμ ίσες;
Ερώτηση 2: Είναι η μάζα που προσδιορίσατε κοντά στην θεωρητική; Κοιτάξτε το βιβλίο αναφοράς σωματιδίων ή τους πίνακες που έχετε στο σχολείο σας ή στο web για να δείτε τη μάζα και το πλάτος του Z0.
Ερώτηση 3: Είναι τα πλάτη των ηλεκτρονίων και των μυονίων ίδια; Το πλάτος που μετράτε μπορεί να υπολογιστεί απο την τιμή rms του ιστογράμματος ως Γ= 2.35*rms.
ΑΣΚΗΣΗ V – Ανακάλυψη του μποζονίου Higgs
Η ευκολότερη διάσπαση του μποζονίου Higgs που μπορείτε να δείτε είναι σε δυο Z0, δηλαδή σε τέσσερα μυόνια ή τέσσερα ηλεκτρόνια ή δυο μυόνια και δυο ηλεκτρόνια. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήστε τον πίνακα αναλλοίωτης μάζας αλλά τοποθετήστε τέσσερις τροχιές. Θα πρέπει να επιλέξετε και να εισάγετε σε αυτό τον πίνακα τις τέσσερις τροχιές που νομίζετε ότι ανήκουν σε μια πιθανή διάσπαση του μποζονίου Higgs. Στη συνέχεια, η αναλλοίωτη μάζα των τεσσάρων σωματιδίων θα υπολογιστεί στη στήλη mllll. Αν δεν σας "αρέσει" η αναλλοίωτη μάζα ενός συγκεκριμένου συνδυασμού τεσσάρων τροχιών, μπορείτε να αντικαταστήσετε 1-4 τροχιές με άλλη(ες). Ο πίνακας ενημερώνεται αυτόματα και θα σας δώσει τη νέα αναλλοίωτη μάζα στη σχετική στήλη. Αν το μποζόνιο Higgs υπάρχει και αν έχετε επιλέξει τις σωστές τροχιές τότε στο ιστόγραμμα mllll θα δείτε μια συσσώρευση γεγονότων γύρω από μια συγκεκριμένη μάζα, η οποία ελπίζουμε ότι είναι η μάζα του μποζονίου Higgs!!!
Ερώτηση: Ποιό θα πρέπει να είναι το άθροισμα των φορτίων από τα τέσσερα λεπτόνια που νομίζετε ότι ανήκουν στο μποζόνιο Higgs;
ΑΣΚΗΣΗ VI: Μαζική επεξεργασία γεγονότων
Χρησιμοποιώντας μεγάλες ομάδες (μερικές δεκάδες χιλιάδες) γεγονότων, εξετάστε τα ιστογράμματα και επιλέξτε τις κατάλληλες παραμέτρους έτσι ώστε να διαχωρίσετε το σήμα (διασπάσεις μποζονίων Higgs) απο το υπόβαθρο.