Experimento UA2

El experimento UA2 se ubicaba a unos 50 metros bajo tierra, en el anillo del acelerador SPS / Sp p S , y estaba alojado en una gran caverna. La caverna era lo suficientemente grande como para albergar el detector, permitir su montaje en una posición de "garaje" sin apagar el acelerador y, además, era adonde se trasladaba después de los periodos de toma de datos. Por lo tanto, el acelerador podía volver a operar como blanco fijo después de periodos de funcionamiento como colisionador. ^{[ 1 ]}

Los experimentos UA1 y UA2 tenían muchas cosas en común; ambos operaban en el mismo acelerador y ambos tenían el mismo objetivo (descubrir los bosones W y Z ). La principal diferencia era el diseño del detector; UA1 era un detector multipropósito , mientras que UA2 tenía un alcance más limitado. ^{[ 1 ]} UA2 fue optimizado para la detección de electrones de desintegraciones de W y Z. El énfasis estaba en un calorímetro altamente granular —un detector que mide cuánta energía depositan las partículas— con geometría proyectiva esférica, que también estaba bien adaptado para la detección de chorros hadrónicos . ^{[ 3 ]} El seguimiento de partículas cargadas se realizó en el detector central utilizando una combinación de cámaras proporcionales de múltiples hilos y cámaras de deriva y hodoscopios . ^{[ 8 ]} Las mediciones de energía se realizaron en los calorímetros. A diferencia de UA1, UA2 no tenía detector de muones .

El calorímetro tenía 24 láminas, cada una con un peso de 4 toneladas. ^{[ 9 ]} Estas láminas estaban dispuestas alrededor del punto de colisión como segmentos de una naranja. Las partículas expulsadas por la colisión producían cascadas de partículas secundarias en las capas de material pesado. Estas cascadas atravesaban capas de centelleadores plásticos, generando luz que era leída por un fotomultiplicador mediante la electrónica de recolección de datos. La cantidad de luz era proporcional a la energía de la partícula original. La calibración precisa del calorímetro central permitía medir las masas W y Z con una precisión de aproximadamente el 1 %. ^{[ 10 ]}

La actualización del detector de 1985-1987 se centró en dos aspectos: cobertura completa del calorímetro y mejor identificación de electrones a momentos transversales más bajos. ^{[ 11 ]} El primer aspecto se abordó reemplazando las tapas de los extremos con nuevos calorímetros que cubrían las regiones de 6° a 40° con respecto a la dirección del haz, sellando así herméticamente el detector. Los calorímetros de las tapas de los extremos consistían en muestras de plomo/ centelleador para la parte electromagnética y de hierro/centelleador para la parte hadrónica. ^{[ 11 ]} El rendimiento y la granularidad de los nuevos calorímetros se ajustaron para que coincidieran con el calorímetro central, lo cual era importante para el sistema de disparo.

La identificación de electrones mejoró gracias al uso de un conjunto de detector de seguimiento central completamente nuevo, que incluía un innovador detector de almohadillas de silicona. En 1989, la colaboración impulsó aún más este concepto mediante el desarrollo de un Detector de Almohadillas de Silicio (SPD) con una segmentación de almohadillas más fina, que se colocó directamente alrededor del tubo de haz de la región de colisión. ^{[ 12 ]} Este detector se construyó como un cilindro que rodeaba estrechamente el tubo de haz. El detector debía caber en el espacio disponible de menos de 1  cm. Por lo tanto, fue necesario miniaturizar los componentes del detector. Esto se logró con dos tecnologías totalmente nuevas: el sensor de silicio y el circuito integrado de aplicación específica (ASIC). La electrónica existente era demasiado voluminosa, por lo que se tuvo que desarrollar un nuevo ASIC. Este fue el primer detector de silicio adaptado a un experimento de colisionador, una tecnología anterior a los detectores de silicio actuales. ^{[ 12 ]}

El primer resultado de la colaboración UA2, publicado el 2 de diciembre de 1982, fue la primera observación inequívoca de la producción de chorros hadrónicos a alto momento transversal a partir de colisiones hadrónicas. ^{[ 13 ]} Las observaciones de chorros hadrónicos confirmaron que la teoría de la cromodinámica cuántica podía describir las características generales de la interacción fuerte de partones . ^{[ 11 ]}

La colaboración UA2 y UA1 optó por buscar el bosón W identificando su desintegración leptónica , porque las desintegraciones hadrónicas , aunque más frecuentes, tienen un fondo mayor. ^{[ 3 ]} A finales de 1982, el Sp p S había alcanzado una luminosidad suficientemente alta como para permitir la observación de${\displaystyle W\rightarrow e\nu }$y${\displaystyle W\rightarrow \mu \nu }$desintegraciones. El 22 de enero de 1983, la colaboración UA2 anunció que el detector UA2 había registrado cuatro eventos que eran candidatos para un bosón W. Esto elevó el número combinado de eventos candidatos observados por UA1 y UA2 a 10. Tres días después, el CERN hizo un anuncio público de que se había encontrado el bosón W. ^{[ 14 ]}

El siguiente paso fue localizar el bosón Z. Sin embargo, la teoría indicaba que el bosón Z sería diez veces más raro que el bosón W. Por lo tanto, los experimentos debían recopilar varias veces más datos que los obtenidos en la serie de 1982 que demostró la existencia del bosón W. Con técnicas y métodos mejorados, la luminosidad aumentó sustancialmente. ^{[ 15 ]} Estos esfuerzos tuvieron éxito y, el 1 de junio de 1983, se realizó el anuncio formal del descubrimiento del bosón Z en el CERN. ^{[ 16 ]}

Durante las pruebas con el detector mejorado, la colaboración UA2 compitió con los experimentos del Fermilab en Estados Unidos en la búsqueda del quark cima . Los físicos habían anticipado su existencia desde 1977, cuando se descubrió su compañero, el quark fondo . Se creía que el descubrimiento del quark cima era inminente.

Durante el período 1987-1990, UA2 recaudó 2065${\displaystyle W\rightarrow e\nu }$desintegraciones, y 251 desintegraciones de Z en pares de electrones, a partir de las cuales se pudo medir la razón de la masa del bosón W y la masa del bosón Z con una precisión del 0,5 %. ^{[ 3 ]} Para 1991, se disponía de una medición precisa de la masa del bosón Z a partir del LEP. Utilizando la razón de la masa de W a la masa de Z, se pudo realizar una primera medición precisa de la masa de W. Estos valores de masa se pudieron utilizar para predecir el quark top a partir de su efecto virtual sobre la masa de W. El resultado de este estudio dio un valor de masa del quark top en el rango de 110 GeV a 220 GeV, ^{[ 3 ]} más allá del alcance de la detección directa por UA2 en el Sp p S. El quark top fue finalmente descubierto en 1995 por físicos en Fermilab con una masa cercana a 175 GeV. ^{[ 17 ] [ 18 ]}