DØ実験

DØ実験（D0実験、DZero実験とも表記される）は、物質の基本的な性質を研究する科学者の世界規模の共同実験であった。DØはイリノイ州バタビアのフェルミ国立加速器研究所のテバトロン衝突型加速器で行われた2つの主要な実験のうちの1つ（もう1つはCDF実験）であった。テバトロンは1983年から2009年まで世界最高エネルギーの加速器であったが、そのエネルギーは大型ハドロン衝突型加速器に追い抜かれた。^[1] DØ実験はテバトロンが停止した2011年にデータの取得を停止したが^[2] 、データ解析は現在も継続中である。DØ検出器はフェルミ国立加速器研究所のDØ組立棟に歴史的展示の一部として保存されており、一般公開されている。^[3]

DØ の研究は、利用可能な最高エネルギーでの陽子と反陽子の相互作用の正確な研究に焦点を当てています。これらの衝突は、 E = mc ²の関係に従ってエネルギーが質量に変換されることによって生成された多くの新しい粒子を含む「イベント」をもたらします。この研究では、宇宙の構成要素の特性を明らかにする亜原子レベルの手がかりを徹底的に探究します。 ^[4]

1981年、フェルミ国立加速器研究所所長レオン・M・レーダーマンは、テバトロンリングの「DØ」相互作用領域に設置され、フェルミ国立加速器研究所で計画されている衝突型検出器を補完する「中規模のグループによって構築される小規模な検出器」の予備提案を求めた。^[5] 15を超えるグループが提案を提出した。これらの提案のうち3つは、ポール・グラニスのリーダーシップの下で1つの取り組みに統合され、1983年7月1日に正式に開始された。グループは1984年11月に設計レポートを作成した。検出器は1991年に完成し、1992年2月にテバトロンに設置され、1992年5月に最初の衝突を観測した。^{[6] [7]}検出器は1992年から1996年までデータを記録し、その後大規模なアップグレードのために停止された。 2回目の調査は2001年に始まり、2011年9月まで続きました。2019年現在もデータ分析は継続中です。^[8]

DØ実験は国際的な共同実験であり、ピーク時には21カ国88の大学と国立研究所から約650人の物理学者が参加した。 ^{[9] [10]}この実験では、テバトロン内を循環する陽子と反陽子の衝突を研究し、素粒子物理学の標準モデルの多くの側面をテストした。

DØ検出器は、ビーム陽子と反陽子が衝突する領域を囲むように、複数のサブ検出器グループがネストされて構成されていました。サブ検出器は、オフライン分析のために収集、デジタル化、記録された100万チャンネル以上の電子機器を提供しました。陽子ビームと反陽子ビームの衝突[12]が毎秒約1000万^回検査され、1秒あたり最大500回の衝突がさらなる研究のために記録されました。^[13]

DØは、ヒッグス、トップ、電弱、新現象、QCD、B物理学の6つの物理学グループで科学的研究を実施しました。それぞれにおいて大きな進歩がありました。^[14]

DØ実験の初期の目標の1つは、素粒子物理学の標準モデルによって予測された物質の6つの構成要素の最後の1つであるトップクォーク^[15]を発見することでした。DØ実験とCDF実験は両方とも探索のためのデータを収集しましたが、お互いの発見を独立して確認できる異なる観測および分析技術を使用しました。

1995年2月24日、DØとCDFは、強い相互作用によって生成されたトップクォークと反トップクォークのペアの観測を記述した研究論文をPhysical Review Letters^{に提出しました。 [16]} 1995年3月2日、2つの共同研究チームは共同で、質量が約1.5Kのトップクォークの発見を報告しました。175 GeV/ c ²（金の原子核とほぼ同じ）。^{[17] [18] [19]}

2009年3月4日、DØとCDFの共同研究チームは、弱い相互作用による単一のトップクォークの生成を発見したと発表した。このプロセスはトップクォーク対の生成の約半分の速度で起こるが、誤った信号を生成する可能性のあるバックグラウンドプロセスと区別するのが難しいため、観測がはるかに難しい。単一のトップクォークの研究は、トップクォークの寿命が約5×10 ^{−25秒であることの測定、クォークの世代間混合の}CKMマトリックスの最後の未知要素の測定、および標準モデルを超える新しい物理学の探索に使用された。^[20]

質量、電荷、崩壊モード、生成特性、分極などのトップクォークの特性の精密測定が 100 件を超える出版物で報告されています。

欧州物理学会は、トップクォークの発見とその特性の詳細な測定に対して、DØとCDFの共同研究に2019年の欧州物理学会高エネルギー・素粒子物理学賞を授与した。^[21]

• DØのトップクォーク物理学グループのホームページ

後年、DØ実験の主要な物理学的目標の一つは、標準モデルでは存在が予測されていたが質量が不明なヒッグス粒子の探索であった。^[22] 2000年に終了するまで、CERNのLEP実験では、質量が100万分の1未満のヒッグス粒子の存在は否定されていた。114.4  GeV/ c ²。^[23] 2010年にDØとCDFは禁止領域を拡大し、160  GeV/ c ² . ^[24]

2012年7月2日、CERNからのヒッグス粒子発見の発表を予想して、DØとCDFの共同研究チームは、ヒッグス粒子が支配的なbクォークの最終状態に崩壊する証拠（約3標準偏差）を発表しました。これは、粒子の質量が115〜135 GeV/c ²であることを示唆しています。^[25] 2012年7月4日、CERNのATLASとCMS実験は、質量が125 GeV/c ²のヒッグス粒子を発見したと発表しました。^[26]

テバトロンで開発されたヒッグス粒子探索技術は、その後のLHC解析の足がかりとなった。^[27]

弱い核力を伝達するWボソンとZボソンの特性は、標準モデルの内部一貫性の敏感な指標です。2012年にDØはWボソンの質量を0.03%以上の相対精度で測定し、多くの新しい物理学の潜在的なモデルを排除しました。^[28]

DØ実験とCDF実験を組み合わせて、Zボソンの崩壊における前後非対称性（正の崩壊レプトンが負の崩壊レプトンよりも陽子の入射方向に近い方向に出現する傾向）を測定した。これらの非対称性の測定から、電弱対称性が電磁力と弱い力に分かれる原因となる弱い混合角が0.15%以上の精度で測定された。この結果はCERNとSLACの電子陽電子衝突実験に匹敵する精度であり、これらの測定間の長年の緊張を解消するのに役立つ。^[29]

KEK、SLAC、北京のIHEPでのBファクトリー実験とCERNでのLHCb実験は、 bクォークやcクォークを含むハドロンの研究の多くの側面を支配してきましたが、DØは、ミューオンへの崩壊を通して観察できるすべての重いフレーバーのハドロンを含む大規模なサンプルを使用して、注目すべき貢献をしました。

2006年7月、DØ共同研究チームは、Bs_中間子（反bクォークとストレンジクォークを含む）が反粒子に変化する最初の証拠を発表しました。この遷移は1秒間に約20兆回発生します。標準モデルの粒子以外の新しい粒子があった場合、この速度は修正されるでしょう。^[30]

2010年5月14日、DØ共同研究チームは、陽子と反陽子の衝突で生成されるbクォークと反bクォークは、負に帯電したミューオンのペアよりも正に帯電したミューオンのペアを生成する傾向があると発表した。^[31]この傾向は、単一ミューオンの非対称性の測定と合わせて、宇宙における物質の優位性の原因である物質-反物質の非対称性を説明するのに役立つ可能性がある。 ^{[32]しかし、}大型ハドロン衝突型加速器の物理学者による実験結果では、「標準モデルとの差は重要ではない」と示唆されている。^[33]

2007年6月12日、DØ共同研究チームは、質量が1.5g/mのΞb （発音は「ジグサブ_b」）と呼ばれる新しい粒子を発見したと発表した論文をPhysical Review Lettersに提出した。5.774 ± 0.019 GeV/ c ²、陽子の約6倍の質量。Ξb重粒子はダウンクォーク、ストレンジクォーク、ボトムクォークから構成されており、物質の3世代すべてのクォークから構成される初めて_の重粒子として観測された。^[34]

マレー・ゲルマンとジョージ・ツヴァイクによる最初のクォーク仮説では、2つのクォークと2つの反クォーク（1つのクォークと反クォークだけではなく）を含むエキゾチック中間子が存在する可能性があると指摘された。エキゾチック中間子に、より特徴的な重いbクォークとcクォークが含まれる場合の例が40年後にようやく観測された。DØは、これらの重いフレーバーのエキゾチック状態に関する新たな理解に貢献した。^[35]

量子色力学(QCD) は、強い相互作用の理論です。この理論では、クォークとグルーオンは、電磁気学の電荷に似た「色」と呼ばれる量子特性を通じて相互作用します。QCD は、ジェット (散乱したクォークまたはグルーオンから発生した粒子の集束したスプレー)、光子、および W または Z ボソンの生成について定量的な予測を行います。DØ は、理論予測と一致するビーム エネルギー、ジェット エネルギー、およびジェット生成角度の関数としてジェット生成を調査する独創的な一連の論文を発表しました。2012 年に DØ が発表した注目すべき結果は、大きな散乱角度で生成される非常に高エネルギーのジェットの測定でした。これは、陽子と反陽子が通常数十個のクォークとグルーオンから構成されているにもかかわらず、単一のクォークが親陽子または反陽子のエネルギーの半分以上を運ぶ場合に発生します。測定結果は予測と非常によく一致しました。 1回の陽子-反陽子衝突におけるクォークとグルーオンの2つの独立した散乱から生じる2対のジェットまたは光子が観測された一連の論文では、これらの速度のパターンは、陽子内のグルーオンの空間的広がりがクォークのそれよりも小さいことを示唆した。^[36]

DØ 検出器は、衝突点を取り囲む 3 つのシェルにまとめられた複数の「サブ検出器」で構成されていました。最も内側のシェルは、超伝導磁石に囲まれた追跡検出器で構成される中央追跡システムでした。これらは、電子、光子、ハドロンのエネルギーを測定し、散乱したクォークとグルーオンから発生する粒子の「ジェット」を識別する熱量計で構成される 2 番目のシェルに囲まれていました。3 番目のシェルであるミューオン システムには、ミューオンを識別するための磁化された固体鉄磁石の前後に追跡チャンバーとシンチレーター パネルがありました。検出器全体は、放射線シールドとして機能するコンクリート ブロックの壁に囲まれていました。検出器のサイズは約 10m × 10m × 20m、重量は約 5,500 トンでした。フェルミ国立加速器研究所の DØ アセンブリ ビルに、公開歴史展示の一部として保存されています。^[37]

中央追跡システムには、荷電粒子の軌道位置を測定するための 2 つのサブ検出器と、軌道を曲げて運動量を測定できる磁場がありました。

シリコン マイクロストリップ トラッカーは、テバトロン ビーム パイプのすぐ外側に設置されていました。ビームと同心円状の 5 つのバレルと、ビームに垂直なストリップを備えた 16 枚のディスクにより、荷電トラック座標の精密測定が可能になりました。これにより、粒子の運動量を決定し、一次衝突点から発生した粒子と、崩壊する前に有限の距離を移動した粒子 (タウ レプトンやボトム クォークを含むハドロンなど) を区別することができました。この装置は、幅 50 ミクロンのシリコン ストリップ約 80 万枚で構成され、約 10 ミクロンの精度でトラックの位置を測定できます。シリコン検出器の外径は、コストが高いため 10 cm に制限されていました。^[38]シリコン マイクロストリップ トラッカーは、2001 年に開始されたテバトロン ラン II コライダー プログラムの検出器に取り付けられました。^[39] 2002 年 4 月までに完全に機能しました。^{[40] [41]}

シリコントラッカーの外側では、円筒形のシンチレーティングファイバートラッカーがビームラインに沿って20〜52cm、2.5mの半径領域を占めていた。粒子は直径835ミクロンのシンチレーティングファイバーの8層を通過した。粒子が通過すると、これらのファイバーは光子を生成した。^[42] 75,000本以上のファイバーのそれぞれからの光は固体センサーに送信され、そこで電子信号が生成され、デジタル化されて記録された。ファイバートラッカーの空間精度は約100ミクロンであった。^[43]

超伝導ソレノイド磁石はファイバートラッカーのすぐ外側に配置され、シリコンとファイバートラッカーの体積内に2Tの磁場を作り出した。^[44]

カロリメータシステムは、3 つのサンプリング カロリメータ (円筒形の中央カロリメータ 1 台と端カロリメータ 2 台)、クライオスタット間検出器、およびプレシャワー検出器で構成されていました。^[45]カロリメータと関連するサブ検出器の役割は、電子、光子、荷電ハドロンのエネルギーと中性ハドロンを測定することでした。これは、入射粒子が高密度の不活性物質の複数の層を通過し、相互作用して二次粒子を生成することで実現されました。このような二次粒子はすべてシャワーと呼ばれます。前駆粒子のエネルギーは、はるかにエネルギーの低い多数のシャワー粒子に共有され、最終的に停止してシャワーは終了しました。不活性物質の層の間には、粒子の電離を測定する検出器がありました。シャワー全体で合計された電離信号の合計は、前駆粒子のエネルギーに比例します。^[46]

シンチレータベースのプレシャワーストリップの円筒形層がソレノイドのすぐ外側に配置され、ファイバートラッカーセンサーで読み取られました。同様のプレシャワー検出器が追跡領域の端を覆いました。ソレノイド内の材料に鉛板を追加することで、一次電子と光子が二次粒子のシャワーを始めます。したがって、プレシャワー検出器は熱量測定の第一段階であり、粒子の衝突点の正確な位置を示します。

外側の中央カロリメータとソレノイドを覆う 2 つの端カロリメータには、電磁粒子とハドロンを測定するための個別のセクションが含まれていました。不活性吸収板には、密度が非常に高いためウランが選ばれました。アクティブギャップには液体アルゴンが含まれており、銅電極の細かく分割された平面上を横切る粒子のイオン化を収集するために強力な電界が適用されました。これらの信号は 50,000 の信号にまとめられ、粒子のエネルギーと、粒子の種類の識別に役立つ横方向および縦方向のシャワーの形状を測定しました。各カロリメータには、総重量が 240 から 300 メートルトンのウラン - 液体アルゴン モジュールが約 60 個含まれていました。カロリメータの全厚は、衝突による最もエネルギーの高い粒子のシャワーを完全に吸収できるように約 175 cm でした。モジュールを液体アルゴン温度 (-190 ℃) で収容するために必要なステンレス鋼容器は比較的厚いため、クライオスタットの壁で失われたエネルギーを補正するために、中央熱量計と端部熱量計の間にシンチレーション検出器が挿入されました。

熱量測定の主な目的は、衝突点から逃げるクォークとグルーオンが生成する粒子の噴出であるジェットの識別です。ジェットの識別と方向およびエネルギーの測定により、一次衝突における基礎となるクォークとグルーオンの運動量を再現する分析が可能になります。^[47]

検出器の最外殻はミューオン検出用である。高エネルギーミューオンは非常に稀であり、興味深い衝突の兆候となる。ほとんどの粒子とは異なり、ミューオンはカロリメータに吸収されないため、カロリメータの外側で観測された軌跡はミューオンである可能性が高い。シンチレータ面は、興味深いイベントをフラグ付けするために使用される高速シグネチャを提供する。鉄製磁石の前後に1ステーションの追跡チャンバーがあり、ミューオンの軌跡を記録する。中央の大きな磁石の鉄は、宇宙での放射線損傷をシミュレートするために作られたNASAのサイクロトロンから再利用された。^{[48] [49]}

検出器では毎秒約 1,000 万回の陽子と反陽子の衝突が発生しました。これは計算能力をはるかに超えるため、テープに保存できるイベントは 1 秒あたりほんの一部でした。そのため、複雑なデータ収集(DAQ) システムが実装され、どのイベントがテープに書き込むのに十分「興味深い」か、どのイベントを捨ててよいかを判断しました。^{[50] [51]}トリガー システムは、電子信号を使用して、電子、ミューオン、光子、高エネルギー ジェット、または崩壊する前にある程度の距離を移動した粒子を含むイベントなど、関心のあるイベントを識別しました。最初のトリガー レベルでは、各サブ検出器からの高速電子信号を使用して、数マイクロ秒以内にデータ取得を一時停止して信号をデジタル化するかどうかを決定しました。このようなレベル 1 のトリガーが約 10,000 件受け入れられました。2 番目のトリガー レベルでは、複数のサブ検出器からのデジタル化された信号を組み合わせて選択を絞り込み、より微妙なイベント プロファイルを形成し、候補イベント プールを毎秒 1,000 件に減らしました。 3 つ目のレベルでは、コンピュータ ファームが、完全なオフライン コンピュータ コードの簡略版でデジタル情報を分析し、1 秒あたり最大 100 件のイベントを生成して永久に記録し、その後大規模なオフライン コンピュータ ファームで分析します。トリガー システムの動作は、保存されるイベントの数を最大化することと、イベントを収集する際に発生するデッド タイムを最小化することの間の微妙なバランスでした。トリガーによって選択されなかった数百万のイベントは永久に失われるため、トリガーは堅牢で信頼性が高くなければなりませんでした。^[52]

• DØ実験
• DØ 展示会
• INSPIRE-HEPの DØ 実験実行 I の記録
• INSPIRE-HEPにおける DØ 実験実行 II の記録