UA2実験

スーパー陽子・反陽子シンクロトロン
（SppS)

主なSp p S実験
ＵＡ１	地下エリア1
ＵＡ２	地下エリア2
ＵＡ４	地下エリア4
ＵＡ５	地下エリア5
Sp p S プレアクセラレータ
追伸	陽子シンクロトロン
AA	反陽子蓄積装置

地下エリア2（UA2）実験は、欧州原子核研究機構（CERN ）の陽子反陽子衝突型加速器（Sp p S ）（スーパープロトンシンクロトロン（SPS）の改良型）で行われた高エネルギー物理学実験である。この実験は1981年から1990年まで実行され、^[1]その主な目的はWボソンとZボソンを発見することであった。UA2は、 UA1実験とともに、1983年にこれらの粒子の発見に成功し、1984年のノーベル物理学賞をカルロ・ルビアとサイモン・ファン・デル・メールに授与することにつながった。UA2実験では、1981年にハドロン衝突によるジェット生成の最初の証拠も観測され、トップクォークと超対称粒子の探索にも使用された。ピエール・ダリウラットは1981 年から 1986 年まで UA2 のスポークスマンを務め、その後、ルイジ・ディ・レラが1986 年から 1990 年まで務めました。

1968年頃、シェルドン・グラショー、スティーブン・ワインバーグ、アブドゥス・サラムが電磁気学と弱い相互作用を統一する電弱理論を考案し、この功績により3人は1979年のノーベル物理学賞を共同受賞した。^[2]この理論はWボソンとZボソンの存在を仮定しており、研究者コミュニティにはこれらの粒子の存在を実験的に証明することへの大きなプレッシャーがあった。1970年代には、WボソンとZボソンの質量がそれぞれ60～80 GeV (Wボソン) と75～92 GeV (Zボソン) の範囲にあることが確立されたが、これは当時稼働していたどの加速器でも到達できないほど大きなエネルギーであった。 ^[3] 1976年、カルロ・ルビア、ピーター・マッキンタイア、デイヴィッド・クラインは、当時フェルミ国立加速器研究所で既に陽子加速器が稼働しており、欧州原子核研究機構（CERN）でも建設中だった陽子加速器（SPS）を、WボソンとZボソンを生成できるほどのエネルギーに到達できる陽子・反陽子衝突型加速器に改造することを提案した。 ^{[4]この提案は1978年に}CERNで採用され、スーパー陽子シンクロトロン（SPS）は、時折陽子・反陽子衝突型加速器（Sp p S）として動作するように改造された。^[5]

1978年6月29日、UA1実験が承認された。同年、UA1と同じ目的の第2の検出器の提案が2件提出された。1978年12月14日、ピエール・ダリウラット、ルイジ・ディ・レラおよび共同研究者らの提案が承認された。^[6] UA1と同様に、UA2は移動可能な検出器で、衝突型加速器のビームパイプの周囲に特別に構築され、陽子-反陽子衝突におけるW粒子およびZ粒子の兆候を探した。^[1] UA2実験は1981年12月に稼働を開始した。当初のUA2共同研究には、ベルン、CERN、コペンハーゲン、オルセー、パヴィア、サクレーの約60名の物理学者が参加した。

1981年から1985年にかけて、UA1とUA2の実験では、およそ100万光年に相当するデータが収集された。0.9  pb ⁻¹。1985年から1987年にかけてSp p Sがアップグレードされ、機械の輝度は以前の性能に比べて10倍に増加しました。^[3] UA2サブ検出器もアップグレードされ、検出器が密閉され、失われた横方向エネルギーを測定する能力が向上しました。

第2段階の実験は1987年から1990年まで続いた。ケンブリッジ、ハイデルベルク、ミラノ、ペルージャ、ピサのグループが協力し、約100人の物理学者が参加した。この段階で、UA2は積分光度に相当するデータを蓄積した。3回の主要な運転期間で13.0 pb ⁻¹でした。^[7]約10年間の運転の後、UA2実験プログラムは1990年末に停止しました。

UA1とUA2実験は陽子-反陽子衝突操作中にデータを記録し、データ取得期間後にはSPSが固定ターゲット操作に戻れるように移動した。UA2はSp p Sのビームパイプから取り外されたときにエアクッションで移動した^。[1]

UA2実験は、SPS / Sp p S加速器のリングの地下約50メートルに位置し、大きな洞窟に収容されていました。洞窟は検出器を収容するのに十分な大きさで、加速器を停止せずに「ガレージ位置」で組み立てるスペースがあり、データ取得期間後には検出器を元の場所に戻すこともできました。そのため、加速器は、衝突器として動作した後、固定ターゲット動作に戻ることができました。^[1]

UA1実験とUA2実験には多くの共通点があった。どちらも同じ加速器で動作しており、同じ目的（WボソンとZボソンの発見）を持っていた。主な違いは検出器の設計で、UA1は多目的検出器であったのに対し、UA2はより限定された範囲のものである。^{[1] UA2はWおよびZ}崩壊からの電子の検出に最適化されていた。球面射影幾何学を用いた高粒度カロリメータ（粒子がどれだけのエネルギーを蓄積するかを測定する検出器）に重点が置かれ、ハドロン ジェットの検出にも適していた。^{[3]荷電粒子の追跡は、}マルチワイヤ比例箱とドリフト箱およびホドスコープの組み合わせを利用して中央検出器で行われた。^{[8]エネルギー測定はカロリメータで行われた。UA1とは異なり、UA2には}ミューオン検出器がなかった。

カロリメータには24枚のスライスがあり、それぞれの重さは4トンでした。^[9]これらのスライスは、オレンジのスライスのように衝突点の周囲に配置されていました。衝突で放出された粒子は、重い物質の層に二次粒子のシャワーを生み出しました。これらのシャワーはプラスチックシンチレータの層を通過し、光を発生させ、データ収集電子機器によって光電子増倍管で読み取られました。光の量は元の粒子のエネルギーに比例していました。中央カロリメータの正確な較正により、W質量とZ質量を約1％の精度で測定することができました。^[10]

1985年から1987年にかけて行われた検出器のアップグレードは、2つの側面、すなわち、完全なカロリメータのカバーと、より低い横方向運動量での電子の識別の向上を目的としていました。 ^[11]最初の側面は、エンドキャップを、ビーム方向に対して6°-40°の領域をカバーする新しいカロリメータに交換することで対処され、それによって検出器が密閉されました。エンドキャップカロリメータは、電磁気部分については鉛/シンチレータのサンプリング、ハドロン部分については鉄/シンチレータで構成されていました。 ^[11]新しいカロリメータの性能と粒度は、トリガーシステムにとって重要である中央カロリメータと一致するように設定されました。

電子の識別は、先駆的なシリコンパッド検出器を部分的に含む、まったく新しい中央追跡検出器アセンブリの使用によって改善されました。1989年に、共同研究チームはこの概念をさらに推し進め、衝突領域のビームパイプの周囲に直接配置できる、より細かいパッドセグメンテーションを備えたシリコンパッド検出器 (SPD) を開発しました。^[12]この検出器は、ビームパイプをぴったりと取り囲む円筒形に構築されました。検出器は、1 cm未満の利用可能なスペースに収まる必要がありました。そのため、検出器のコンポーネントを小型化する必要がありました。これは、シリコンセンサーと特定用途向け集積回路(ASIC) という2つのまったく新しい技術によって実現されました。既存の電子機器は大きすぎたため、新しいASICを開発する必要がありました。これは、現在のシリコン検出器よりも前の技術である、衝突実験に適応した最初のシリコントラッカーでした。^[12]

1982年12月2日に発表されたUA2共同研究の最初の成果は、ハドロン衝突による高横方向運動量でのハドロンジェット生成の初めての明確な観測であった。^{[13]ハドロンジェットの観測により、}量子色力学の理論が強いパートン 相互作用の全体的な特徴を記述できることが確認された。^[11]

UA2とUA1の共同研究は、レプトン崩壊を特定することでWボソンを探すことを選択した。これは、ハドロン崩壊はより頻繁に起こるものの、背景が大きいためである。^[3] 1982年末までに、Sp p Sは崩壊の観測を可能にするのに十分な明るさ​​に達した。1983年1月22日、UA2共同研究は、UA2検出器がWボソンの候補となる4つのイベントを記録したと発表した。これにより、UA1とUA2で観測された候補イベントの数は合計10になった。3日後、CERNはWボソンが発見されたことを公表した。^[14]${\displaystyle W\rightarrow e\nu }$${\displaystyle W\rightarrow \mu \nu }$

次のステップはZボソンの追跡だった。しかし、理論によればZボソンはWボソンの10倍も稀少である。そのため実験では、Wボソンの存在を示した1982年の実行で収集されたデータの数倍のデータを収集する必要があった。技術と方法が改善され、光度は大幅に増加した。^[15]これらの努力は成功し、1983年6月1日にCERNでZボソンの発見が正式に発表された。^[16]

改良型検出器の稼働中、UA2共同研究チームは、トップクォークの探索で米国フェルミ国立加速器研究所の実験と競争していた。物理学者たちは、トップクォークのパートナーであるボトムクォークが発見された1977年以来、トップクォークの存在を予期していた。トップクォークの発見は差し迫っていると感じられていた。

1987年から1990年にかけて、UA2は2065回の崩壊と251​​回の電子対へのZ崩壊を収集し、それらからWボソンの質量とZボソンの質量の比を0.5%の精度で測定することができた。^[3] 1991年までに、LEPからのZボソンの質量の正確な測定が可能になった。W質量とZ質量の比を使用して、W質量の最初の正確な測定を行うことができた。これらの質量値を使用して、W質量への仮想効果からトップクォークを予測することができた。この研究の結果、トップクォークの質量値は110 GeVから220 GeVの範囲にあり、^[3] UA2がSp p Sで直接検出できる範囲を超えていた。トップクォークは最終的に1995年にフェルミ国立加速器研究所の物理学者によって175 GeV近くの質量で発見された。^{[17] [18]}${\displaystyle W\rightarrow e\nu }$

• スーパープロトンシンクロトロン実験のリスト

• UA2 コラボレーションのアーカイブ 2008-05-30 にWayback Machineでアーカイブされました
• ダリウラット、ピエール (2004)。「W 粒子と Z 粒子: 個人的な回想」、CERN Courier
• ディ・レラ、ルイージ、ルビア、カルロ（2015年。「W粒子とZ粒子の発見」CERN実験と発見の60年。CERN文書サーバー：World Scientific
• 「実験」 - CERN Courier 1983 年 11 月号に掲載された UA1 および UA2 実験の説明
• カール・ヤコブス (1994)。「CERN pp Collider における UA2 実験の物理的結果」。CERN ドキュメント サーバー: マックス プランク研究所
• INSPIRE-HEPにおけるUA2実験記録