Experimento DØ

Uno de los objetivos iniciales del experimento DØ fue descubrir el quark top, ^{[ 15 ]} el último de los seis constituyentes de la materia predichos por el Modelo Estándar de la física de partículas. Tanto el experimento DØ como el CDF recopilaron datos para la búsqueda, pero utilizaron diferentes técnicas de observación y análisis que permitieron la confirmación independiente de los hallazgos del otro.

El 24 de febrero de 1995, DØ y CDF presentaron artículos de investigación a Physical Review Letters describiendo la observación de pares de quarks top y antitop producidos a través de la interacción fuerte . ^{[ 16 ]} El 2 de marzo de 1995, las dos colaboraciones informaron conjuntamente del descubrimiento del quark top con una masa de aproximadamente175  GeV/ c² (casi la de un núcleo de oro) ^{. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

El 4 de marzo de 2009, las colaboraciones DØ y CDF anunciaron el descubrimiento de la producción de quarks top individuales mediante la interacción débil . Este proceso ocurre aproximadamente a la mitad de la tasa que la producción de pares de quarks top, pero es mucho más difícil de observar, ya que es más difícil distinguirlo de los procesos de fondo que pueden crear señales falsas. Los estudios de quarks top individuales se utilizaron para medir la vida media del quark top, de aproximadamente 5 × 10⁻²⁵ ^segundos , medir el último elemento desconocido de la matriz CKM de mezcla intergeneracional de quarks y buscar nueva física más allá del Modelo Estándar . ^{[ 20 ]}

En más de cien publicaciones se han publicado mediciones precisas de las propiedades del quark cima, como la masa, la carga, los modos de desintegración, las características de producción y la polarización.

La Sociedad Europea de Física otorgó el Premio de Física de Partículas y Altas Energías 2019 a las colaboraciones DØ y CDF "por el descubrimiento del quark top y la medición detallada de sus propiedades". ^{[ 21 ] [ 22 ]}

• Página principal del grupo de física del quark top de DØ

En años posteriores, uno de los principales objetivos físicos del experimento DØ fue la búsqueda del bosón de Higgs , cuya existencia predijo el Modelo Estándar , pero con una masa desconocida. ^{[ 23 ]} Antes de concluir en 2000, los experimentos LEP en el CERN habían descartado la existencia de un bosón de Higgs con una masa menor que114,4 GeV/ c² ^{.  [ 24 ]} En 2010 , DØ y CDF extendieron la región prohibida para incluir una ventana alrededor de160  ^GeV / c2 ^{. [ 25} ]

El 2 de julio de 2012, anticipándose a un anuncio del CERN sobre el descubrimiento del bosón de Higgs, las colaboraciones DØ y CDF anunciaron su evidencia (aproximadamente tres desviaciones estándar) de bosones de Higgs que decaen en los estados finales dominantes del quark b, lo que indicó que la partícula tenía una masa entre 115 y 135 GeV/c² ^. [ ^{26 ] El} 4 de julio de 2012, los experimentos ATLAS y CMS del CERN anunciaron su descubrimiento del bosón de Higgs con una masa de 125 GeV/ ^c² . ^{[ 27 ]}

Las técnicas desarrolladas en el Tevatron para la búsqueda del bosón de Higgs sirvieron como trampolín para los análisis posteriores del LHC. ^{[ 28 ]}

Las propiedades de los bosones W y Z que transmiten la fuerza nuclear débil son indicadores sensibles de la consistencia interna del Modelo Estándar. En 2012, DØ midió la masa del bosón W con una precisión relativa superior al 0,03 %, descartando muchos modelos potenciales de nueva física. ^{[ 29 ]}

Los experimentos DØ y CDF se combinaron para medir la asimetría hacia adelante-atrás en las desintegraciones de bosones Z (la tendencia de los leptones de desintegración positiva a emerger más cerca de la dirección del protón incidente que los leptones de desintegración negativa). A partir de estas mediciones de asimetría, se midió el ángulo de mezcla débil que rige la ruptura de la simetría electrodébil en fuerzas electromagnéticas y débiles distintas con una precisión superior al 0,15 %. Este resultado tiene una precisión comparable a la de los experimentos de colisionadores de positrones y electrones en el CERN y el SLAC , y ayuda a resolver una antigua discrepancia entre dichas mediciones. ^{[ 30 ]}

Si bien los experimentos de la fábrica de quarks B en KEK , SLAC e IHEP en Beijing y el experimento LHCb en el CERN han dominado muchos aspectos del estudio de los hadrones que contienen quarks b o c, DØ ha realizado contribuciones notables utilizando grandes muestras que contienen todos los hadrones de sabor pesado que se pueden observar a través de sus desintegraciones en muones.

En julio de 2006, la colaboración DØ publicó la primera evidencia de la transformación del mesón B _s (que contiene un antiquark b y un quark extraño) en su antipartícula. La transición ocurre aproximadamente 20 billones de veces por segundo. Si existieran nuevas partículas más allá de las del Modelo Estándar, esta tasa se habría modificado. ^{[ 31 ]}

El 14 de mayo de 2010, la colaboración DØ anunció una tendencia de los quarks b y anti-b producidos en colisiones protón-antiprotón a generar un par de muones con carga positiva con mayor frecuencia que un par con carga negativa. ^{[ 32 ]} Esta tendencia, junto con mediciones de asimetrías de muones individuales, podría ayudar a explicar la asimetría materia-antimateria responsable del predominio de la materia en el universo. ^{[ 33 ]} Sin embargo, los resultados experimentales de físicos del Gran Colisionador de Hadrones han sugerido que "la diferencia con el Modelo Estándar es insignificante". ^{[ 34 ]}

El 12 de junio de 2007, la colaboración DØ presentó un artículo a Physical Review Letters anunciando el descubrimiento de una nueva partícula llamada Ξ _b (pronunciada "zigh sub b") con una masa de5,774 ± 0,019  GeV/ c² , aproximadamente seis veces la masa de un protón. El barión Ξb está formado por un quark down , un quark strange y un quark bottom , lo ^que _lo convierte en el primer barión observado formado por quarks de las tres generaciones de materia. ^{[ 35 ]}

Las hipótesis originales sobre los quarks de Murray Gell-Mann y George Zweig señalaron la posibilidad de mesones exóticos que contienen dos quarks y dos antiquarks (en lugar de solo un quark y un antiquark). Finalmente, se observaron ejemplos 40 años después en casos donde el mesón exótico contiene los quarks b y c, más característicos y pesados. DØ ha aportado una nueva comprensión de estos estados exóticos de sabor pesado. ^{[ 36 ]}

La cromodinámica cuántica (QCD) es la teoría de la interacción fuerte, en la que los quarks y los gluones interactúan mediante una propiedad cuántica, análoga a la carga eléctrica en el electromagnetismo, denominada "color". La QCD realiza predicciones cuantitativas para la producción de chorros (pulverizaciones colimadas de partículas que se originan a partir de quarks o gluones dispersos), fotones y bosones W o Z.

Entre 1999 y 2001, DØ publicó una serie de artículos que investigaban la producción de chorros en función de la energía del haz, la energía del chorro y el ángulo de producción del chorro. La medición de la sección transversal central inclusiva del chorro ^{[ 37 ]} fue seguida por la medición de la pseudorapidez y la dependencia de la energía transversal de la sección transversal de producción de chorros inclusivos, ^{[ 38 ]} la medición de la relación de las secciones transversales centrales inclusivas del chorro a dos energías del centro de masas, ^{[ 39 ]} y un artículo de revisión que cubría además las mediciones del espectro de masas del dijet y las distribuciones angulares del dijet. ^{[ 40 ]}

Un resultado de DØ en 2012 fue la medición de chorros de muy alta energía producidos en grandes ángulos de dispersión. Esto ocurre cuando quarks individuales transportan más de la mitad de la energía de su protón o antiprotón progenitor, a pesar de que el protón y el antiprotón suelen estar formados por docenas de quarks y gluones. La medición coincidió excelentemente con las predicciones. En una serie de publicaciones en las que se observaron dos pares de chorros o fotones provenientes de dos dispersiones independientes de quarks y gluones dentro de un único encuentro protón-antiprotón, el patrón de estas tasas indicó que la extensión espacial de los gluones dentro del protón es menor que la de los quarks. ^{[ 41 ]}

El sistema de seguimiento central contaba con dos subdetectores para medir la posición de las trayectorias de las partículas cargadas y un campo magnético para provocar que estas se curvaran, permitiendo así medir sus momentos.

El detector de microtiras de silicio se ubicaba justo fuera de los tubos de haz del Tevatron. Cinco barriles concéntricos con los haces y 16 discos con tiras perpendiculares a los haces proporcionaban mediciones precisas de las coordenadas de las trazas cargadas. Esto ayudaba a determinar los momentos de las partículas y a distinguir aquellas que emergían del punto de colisión primario de aquellas que viajaban una distancia finita antes de desintegrarse, como los leptones tau y los hadrones que contenían quarks bottom. Consistía en aproximadamente 800.000 tiras de silicio de 50 micras de ancho, capaces de medir la ubicación de la traza hasta aproximadamente 10 micras. El radio exterior de los detectores de silicio estaba limitado a 10  cm debido a su alto costo. ^{[ 43 ]} El detector de microtiras de silicio se instaló en el detector para el programa del colisionador Tevatron Run II, que comenzó en 2001. ^{[ 44 ]} Estaba completamente operativo en abril de 2002. ^{[ 45 ] [ 46 ]}

Fuera del detector de silicio, el detector de fibra centelleante cilíndrico ocupaba la región radial entre 20 y 52  cm y 2,5 m a lo largo de la línea del haz. Las partículas atravesaban ocho capas de fibras centelleantes de 835 micras de diámetro. Estas fibras producían fotones cuando una partícula las atravesaba. ^{[ 47 ]} La luz de cada una de las más de 75 000 fibras se transmitía a sensores de estado sólido que creaban señales electrónicas que se digitalizaban y registraban. La precisión espacial del detector de fibra era de aproximadamente 100 micras. ^{[ 48 ]}

Un imán solenoide superconductor, ubicado justo fuera del rastreador de fibras, creó un campo magnético de 2 T en el silicio y el volumen del rastreador de fibras. ^{[ 49 ]}

El sistema de calorimetría constaba de tres calorímetros de muestreo (un calorímetro central cilíndrico y dos calorímetros de extremo), un detector intercriostato y un detector de pre-ducha. ^{[ 50 ]} La función de los calorímetros y los subdetectores asociados era medir las energías de electrones, fotones y hadrones cargados y neutros. Esto se lograba cuando las partículas incidentes atravesaban múltiples capas de material inerte denso en las que interactuaban y creaban partículas secundarias. Todas estas partículas secundarias se denominan ducha. La energía de la partícula progenitora se distribuía entre muchas partículas de la ducha de energía mucho menor que finalmente se detenían, momento en el que la ducha terminaba. Entre las capas del material inerte había detectores en los que se medía la ionización de las partículas. La señal de ionización total sumada a lo largo de la ducha es proporcional a la energía de la partícula progenitora. ^{[ 51 ]}

Se colocó una capa cilíndrica de tiras de pre-ducha basadas en centelleadores justo fuera del solenoide y se midió con sensores de seguimiento de fibra. Detectores de pre-ducha similares cubrieron los extremos de la región de seguimiento. El material del solenoide, reforzado con láminas de plomo, provocó que los electrones y fotones primarios iniciaran una lluvia de partículas secundarias. El detector de pre-ducha constituyó, por lo tanto, la primera etapa de la calorimetría y proporcionó la ubicación precisa del punto de impacto de las partículas.

Un calorímetro central externo y dos calorímetros terminales que cubrían el solenoide contenían secciones separadas para medir partículas electromagnéticas y hadrones. Se eligió uranio para las placas absorbentes inertes debido a su muy alta densidad. Los espacios activos contenían argón líquido con un fuerte campo eléctrico aplicado para recolectar la ionización de las partículas que lo atravesaban en planos finamente segmentados de electrodos de cobre. Estas señales se agruparon en 50 000 señales que medían las energías de las partículas y las formas de cascada transversales y longitudinales, lo que ayudó a identificar el tipo de partícula. Cada calorímetro contenía aproximadamente sesenta módulos de uranio-argón líquido con un peso total de 240 a 300 toneladas métricas. El espesor total de un calorímetro era de aproximadamente 175  cm para absorber completamente las cascadas de las partículas más energéticas de una colisión. Los recipientes de acero inoxidable necesarios para contener los módulos a la temperatura del argón líquido (-190 °C) eran relativamente gruesos, por lo que se insertaron detectores de centelleo entre el calorímetro central y los terminales para corregir la energía perdida en las paredes del criostato.

Una tarea fundamental de la calorimetría es la identificación de chorros, los cúmulos de partículas creados cuando los quarks y gluones escapan de su punto de colisión. La identificación de los chorros y la medición de sus direcciones y energías permiten a los análisis recrear los momentos de los quarks y gluones subyacentes en la colisión primaria. ^{[ 52 ]}

La capa más externa del detector se utilizaba para la detección de muones . Los muones de alta energía son bastante raros y, por lo tanto, constituyen un indicio revelador de colisiones interesantes. A diferencia de la mayoría de las partículas, no se absorbían en los calorímetros, por lo que las trayectorias observadas más allá de estos probablemente correspondían a muones. Los planos centelleadores proporcionaban una señal rápida que se utilizaba para identificar eventos interesantes. Una estación de cámaras de seguimiento, situada antes y dos después de los imanes de hierro sólido, registraba las trayectorias de los muones. El hierro del gran imán central se recuperó de un ciclotrón de la NASA construido para simular el daño por radiación en el espacio. ^{[ 53 ] [ 54 ]}