NA62 эксперимент - NA62 experiment

Супер протонный синхротрон
(СПС)
LHC.svg
Ключевые эксперименты SPS
UA1Подземный участок 1
UA2Подземная зона 2
NA31NA31 Эксперимент
NA32Исследование образования очарования в адронных взаимодействиях с помощью кремниевых детекторов высокого разрешения
КОМПАСОбщий мюонный и протонный аппарат для структуры и спектроскопии
БЛЕСКЭксперимент с тяжелыми ионами и нейтрино SPS
NA62NA62 Эксперимент
Предускорители SPS
p и PbЛинейные ускорители за протоны (Linac 2) и Свинец (Linac 3)
(не отмечен)Протонный синхротронный ускоритель
PSПротонный синхротрон

В NA62 эксперимент (известный как П-326 на стадии предложения) является физика элементарных частиц эксперимент в северной части Ускоритель SPS в ЦЕРН. Эксперимент был одобрен в феврале 2007 года. Сбор данных начался в 2015 году, и ожидается, что эксперимент станет первым в мире по исследованию распадов заряженных частиц. Каон с вероятностями до 10−12. Представитель эксперимента Кристина Лаззерони (с января 2019 г.). В сотрудничестве участвуют 333 человека из 30 организаций и 13 стран мира.[1]

Цели

Эксперимент предназначен для проведения прецизионных испытаний Стандартная модель изучая редкие распады заряженных каоны. Основная цель, для которой была оптимизирована конструкция, - это измерение скорости ультра-редкого распада. K+  → π+ + ν + ν с точностью 10%, обнаружив около 100 кандидатов на распад с низким фоном. Это приведет к определению Матрица СКМ элемент |Vтд| с точностью лучше 10%.[2] Этот элемент очень точно связывает вероятность того, что топ-кварки распадаться на вниз кварки. В Группа данных о частицах с Обзор физики элементарных частиц, 2008 г. списки |Vтд| = 0.00874+0.00026
−0.00037.[3] Параллельно выполняется обширная программа исследований физики каонов, включающая исследования других редких распадов, поиск запрещенных распадов и новых экзотических частиц, не предсказываемых стандартной моделью (например, темных фотонов).

Экспериментальный аппарат

Для достижения желаемой точности эксперимент NA62 требует определенного уровня подавления фона в зависимости от силы сигнала. А именно, синхронизация с высоким разрешением (для поддержки высокоскоростной среды), кинематическое отклонение (включая вырезание квадрата недостающей массы наблюдаемых частиц в распаде относительно вектора падающего каона), идентификация частиц, герметичное вето. фотонов на большие углы и мюоны в рамках приема и резервирования информации.[4]

В связи с этим в эксперименте NA62 был сконструирован детектор длиной примерно 270 м. Компоненты эксперимента кратко описаны ниже, для получения полной информации см. [5].

Линия луча

В основе эксперимента NA62 лежит наблюдение за распадом каонов. Для этого эксперимент получает два луча от СПС,

Первичный луч, называемый P42, используется для производства K+ луч. Пучок протонов 400 ГэВ / c разделяется на три ветви и поражает три цели (T2, T4 и T6). Это создает лучи вторичных частиц, которые направляются через подземный целевой туннель (TCC2). На выходе из Т4 пучок прошедших протонов проходит через отверстия в двух вертикально-моторизованных балка-отвал /коллиматор модули TAX 1 и TAX 2 для P42, в которых отверстия с разными апертурами определяют угловой прием пучка и, следовательно, позволяют выбирать поток протонов в широком диапазоне. Чтобы защитить компоненты устройства, компьютерная программа наблюдения позволяет контролировать токи в основных магнитах вдоль линии луча P42 и закрывать Tax 2 в случае ошибки.

Линия вторичного луча, K12HIKA +, представляет собой линию луча каона. Этот пучок разработан, чтобы исходить от протонов с высоким потоком 400 ГэВ / c в установке высокой интенсивности в Северной зоне. Туннель мишени / луча, TCC8, и каверна, ECN3, где были установлены детекторы эксперимента NA48, имеют общую длину 270 м. Планируется повторно использовать существующую станцию ​​прицеливания T10 (расположенную в 15 м от начала TCC8) и установить вторичный луч вдоль существующей (прямой) линии луча K12 длиной 102 м до выхода конечного коллиматора, который отмечает начало реперной области распада и указывает на NA48 детекторы (в частности, электромагнитный калориметр на жидком криптоне, LKR).

Эти пучки приводят к 4,5 МГц распадов каонов в фидуциальной области с соотношением ~ 6% для K+ распадается на Адрон Флюс.[6]

Кедр / KTAG

KTAG - это «теггер каонов», предназначенный для идентификации частицы в неразделенном адронном пучке. Этот детектор представляет собой дифференциальный черенковский счетчик (CERN west-area Cedar), оснащенный специальным детектором, состоящим из 8 массивов фотодетекторов (KTAG).[7].

GigaTracker (GTK)

Расположенный непосредственно перед областью распада каонов, GTK предназначен для измерения времени, направления и импульса всех траекторий луча. GTK - это спектрометр и может обеспечить измерения от входящего каонного пучка 75 ГэВ / c. Измерения GTK используются для выделения распада и уменьшения фона.

GTK состоит из трех разных станций, обозначенных GTK1, GTK2 и GTK3, в зависимости от порядка, в котором они расположены относительно пути луча. Они установлены вокруг четырех ахроматных магнитов (которые используются для отклонения луча). Вся система размещается вдоль линии луча и находится внутри вакуум бак.[8]

ЧАНТИ

Этот заряженный детектор анти-счетчика (CHANTI) в первую очередь предназначен для наложения вето на события с неупругим взаимодействием между частицами пучка и GTK3. Детектор состоит из шести плоскостей сцинтилляционных детекторов, окружающих луч.

Соломенный трекер

Луч каонов проходит через область перед входом в область распада, область длиной примерно 60 м внутри большого вакуумного резервуара, после чего продукты распада обнаруживаются на станциях слежения за строу. Система измеряет направление и импульс вторичных заряженные частицы которые происходят из области распада. Этот спектрометр состоит из четырех камер, пересекаемых большой апертурой. дипольный магнит. Каждая из камер состоит из нескольких трубок-соломок, расположенных так, чтобы обеспечивать четыре обзора для получения четырех координат. Из 7168 соломинок во всей системе только одна была дефектной. Протекающая соломинка была закрыта, и детектор работал нормально в течение 2015 года.[9]

Фотон Вето Системы

В эксперименте используется фотонная система вето, которая обеспечивает герметичное покрытие от 0 до 50 миллирадиан. Эта система состоит из нескольких подсистем, охватывающих разные угловые диапазоны; Большой угол Vetos (LAV) охватывает 8,5–50 мрад, калориметр на жидком криптоне (LKr) охватывает 1–8,5 мрад, а малый угол Vetos (SAV) охватывает 0–1 мрад.

Большой угол Vetos (LAV)

12 станций LAV состоят из четырех или пяти кольцевых сцинтилляционных детекторов из свинцового стекла, окружающих объем распада. Первые 11 станций работают в том же вакуумном резервуаре, что и объем распада и СОЛОМА, в то время как последняя камера (LAV12) расположена после RICH и работает на воздухе.

Малоугловой калориметр (SAV), калориметр с промежуточным кольцом (IRC) и малоугловой калориметр (SAC)

IRC и SAC - это электромагнитные калориметры для отбора проб, состоящие из чередующихся слоев свинцовых и пластиковых сцинтилляторов. САК устанавливается в самом конце экспериментальной установки на одной линии с траекторией луча, но после того, как заряженные частицы отклоняются и отправляются в отвод луча. Это означает, что любые фотоны, движущиеся вдоль направления луча до угла 0, могут быть обнаружены.

Калориметр жидкого криптона (LKr)

Детектор LKr повторно используется из NA48 с модернизированными системами считывания. Активный материал калориметра - жидкий криптон. Электромагнитные ливни, инициированные заряженными частицами или фотонами, обнаруживаются с помощью ионизационных электронов, которые дрейфуют к анодам, расположенным внутри жидкого криптона. Сигналы усиливаются и передаются в системы считывания.

Кольцевой черенковский детектор (RICH)

RICH предназначен для различения пионов и мюонов для частиц с импульсом от 15 до 35 ГэВ / c. Он состоит из сосуда длиной 17,5 м и диаметром до 4,2 м, заполненного азотом (около 990 мбар). Когда заряженные частицы проходят через газ, черенковские фотоны испускаются под фиксированным углом, который определяется импульсом и массой частицы, а также давлением газообразного азота. Фотоны отражаются от матрицы зеркал на нижнем конце RICH и обнаруживаются двумя матрицами детекторов на фотоумножителях на верхнем конце сосуда.

Заряженные годоскопы (NA48-CHOD и CHOD)

Детекторы CHOD представляют собой сцинтилляционные детекторы, которые обеспечивают вход в триггерную систему, обнаруживающую заряженные частицы. Система состоит из детектора NA48-CHOD, повторно использованного в эксперименте NA48 и состоящего из двух плоскостей сцинтилляционных полосок, расположенных вертикально и горизонтально, и недавно сконструированного CHOD, построенного из массива сцинтилляционных плиток, считываемых кремниевыми фотоумножителями.

Адронные калориметры (MUV1 и MUV2)

MUV1 и MUV2 - это адронные калориметры для отбора проб, состоящие из чередующихся слоев железа и сцинтилляторов. Недавно построенный MUV1 имеет тонкую поперечную сегментацию для разделения электромагнитных и адронных компонентов ливней, а MUV2 повторно используется из NA48.

Детектор мюонного вето (MUV3)

MUV3 сконструирован из плоскости сцинтилляционных плиток, считывается парой фотоумножителей и расположен за 80-сантиметровой железной стеной, которая блокирует частицы, оставляя только мюоны для обнаружения. Этот детектор обеспечивает быстрое вето мюонов на уровне запуска и используется для идентификации мюонов на уровне анализа.

Данные

В ходе эксперимента было проведено несколько тестов, чтобы убедиться, что новые компоненты детектора работают правильно. Первый физический прогон с почти полным детектором состоялся в 2015 году. NA62 собирал данные в 2016, 2017 и 2018 годах перед длительным остановом в ЦЕРН 2. Анализ данных продолжается, и некоторые результаты находятся в стадии подготовки.

В рамках эксперимента несколько документов были созданы и находятся в процессе создания. Список опубликованных работ по эксперименту NA62 можно найти Вот.

Полученные результаты

Данные за 2016 год

Опубликованные результаты:[10].

Данные за 2017 год

Результаты впервые представлены на KAON19 конференция.

Запрещенный Распада

(Нарушение лептонного числа)

Опубликованные результаты: [11]

Экзотика

Тяжелый нейтральный лептон

Опубликованные результаты:[12]

Темный фотон

Опубликованные результаты:[13]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Детали эксперимента». greybook.cern.ch. Получено 2016-04-06.
  2. ^ «Предложение по измерению редкого распада K + → π + νν¯ на ЦЕРН SPS» (PDF).
  3. ^ К. Амслер; и другие. (2008). «Обзор физики частиц» (PDF). Письма по физике B. 667 (1–5): 1–1340. Bibcode:2008ФЛБ..667 .... 1А. Дои:10.1016 / j.physletb.2008.07.018.
  4. ^ "CERN-PH-NA62". na62.web.cern.ch. Получено 2016-04-06.
  5. ^ Эдуардо Кортина Хиль; и другие. (2017). «Луч и детектор эксперимента NA62 в ЦЕРНе». JINST. 12 (5): P05025. arXiv:1703.08501. Bibcode:2017JInst..12P5025C. Дои:10.1088 / 1748-0221 / 12/05 / P05025.
  6. ^ "Линия К + Beam" (PDF). ЦЕРН.
  7. ^ Евгений Гоудзовский; и другие. (2015). «Разработка системы мечения каонов для эксперимента NA62 в ЦЕРНе». Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция A: ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ними оборудование. 801: 86–94. arXiv:1509.03773. Bibcode:2015NIMPA.801 ... 86G. Дои:10.1016 / j.nima.2015.08.015.
  8. ^ "Gigatracker (GTK) ". ЦЕРН
  9. ^ "Отчет о статусе NA62 за 2015 год для ЦЕРН SPSC ". ЦЕРН
  10. ^ Э. Кортина Хил; и другие. (Сотрудничество NA62) (2019). "Первый поиск с использованием метода затухания в полете ". Письма по физике B. 791: 156–166. Дои:10.1016 / j.physletb.2019.01.067.
  11. ^ Э. Кортина Хил; и другие. (Сотрудничество NA62) (2019). "Поиски нарушающих лептонное число распадается ". Письма по физике B. 797: 134794. Дои:10.1016 / j.physletb.2019.07.041.
  12. ^ Э. Кортина Хил; и другие. (Сотрудничество NA62) (2018). "Поиск образования тяжелого нейтрального лептона в распадается ". Письма по физике B. 778: 137–145. Дои:10.1016 / j.physletb.2018.01.031.
  13. ^ Э. Кортина Хиль; и другие. (Сотрудничество NA62) (2019). "Поиски рождения невидимого темного фотона в распадается ". Журнал физики высоких энергий. 2019: 182. Дои:10.1007 / JHEP05 (2019) 182.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка