Απεικονίζοντας γεγονότα με το πρόγραμμα HYPATIA

Είναι ώρα να δεις πώς εμφανίζονται στο πρόγραμμα απεικόνισης HYPATIA τα γεγονότα που αναφέρθηκαν. Έτσι, θα χρησιμοποιήσεις τις γνώσεις σου στο χαρακτηρισμό γεγονότων και στην ταυτοποίηση σωματιδίων. Θα μάθεις να ξεχωρίζεις γεγονότα σημάτων από τα υπόλοιπα γεγονότα υποβάθρου.

Τα γεγονότα με 2 ή 4 λεπτόνια (ηλεκτρόνια ή μιόνια) αναγνωρίζονται, γενικά, εύκολα. Τα γεγονότα με 2 φωτόνια πολλές φορές μπορούν να ξεγελάσουν, ιδίως αν οι τροχιές κατευθύνονται προς την περιοχή εναπόθεσης της ενέργειας στο ηλεκτρομαγνητικό θερμιδόμετρο.

Οι παρακάτω εικόνες θα σε βοηθήσουν στην καλύτερη κατανόηση αναγνώρισης του σωματιδίου Ζ.



Διαδικασίες σήματος
  • Και στις δύο όψεις, μπορείς να δεις διάφορες τροχιές μέσα στον ανιχνευτή τροχιών, καθώς και κάποια δραστηριότητα (κίτρινα τετράγωνα) στο πρώτο θερμιδόμετρο (πράσινο κομμάτι στο σχέδιο του ανιχνευτή), καθαρές ενδείξεις ηλεκτρονίων.
  • Παρατηρούμε πολλές τροχιές στην όψη βάσης στην πρώτη εικόνα επάνω. Αν θέλουμε να φαίνονται μόνο τα σωματίδια με μεγάλη εγκάρσια ορμή, μπορούμε να ορίσουμε όρια, τα λεγόμενα "κοψίματα" (περιορισμούς). Δηλαδή, επιλέγονται να φαίνονται μόνο τα σωματίδια με ορμή μεγαλύτερη από το κόψιμο. Φυσικά, πρέπει να ορισθεί αυτό το όριο. Μια καλή τιμή για το ελάχιστο όριο της εγκάρσιας ορμής είναι 25 GeV. Έτσι επιλέγουμε όλες τις τροχιές που αντιστοιχούν σε σωματίδια με εγκάρσια ορμή μεγαλύτερη των 25 GeV. Στη δεύτερη εικόνα επάνω έχει εφαρμοσθεί αυτό το κόψιμο.
  • Όπως μπορείς να δεις από αυτή τη μεγεθυμένη όψη βάσης,παρατηρούμε ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο (πρόσεξε τη διαφορά στο φορτίο). Η ελλείπουσα εγκάρσια ορμή είναι πολύ μικρή, δηλαδή δεν έχουμε δημιουργία νετρίνο. Αυτό είναι ένα τυπικό Z→e- + e+ γεγονός.
  • Στην όψη βάσης και στην πλαϊνή όψη φαίνονται μερικές τροχιές σωματιδίων. Αυτή είναι η εικόνα ενός τυπικού γεγονότος στον ανιχνευτή ATLAS. Πρόσεξε ότι η ελλείπουσα εγκάρσια ορμή είναι πολύ μικρή, δηλαδή δεν έχουμε δημιουργία νετρίνο. Στην πλαϊνή όψη εύκολα μπορείς να δεις δύο μιόνια.
  • Από αυτή τη μεγεθυμένη όψη κατά μήκος της δέσμης των πρωτονίων, μπορείς να δεις πολύ καθαρά τα δύο μιόνια. Τα δύο σωματίδια μπορεί να δημιουργήθηκαν από τη διάσπαση ενός σωματιδίου αμέσως μετά τη δημιουργία του.
  • Στη μεγεθυμένη αυτή εικόνα διακρίνονται καθαρά δύο τροχιές από μιόνια. Κοιτάζοντας τα φορτία των δύο μιονίων, βλέπουμε ότι το ένα είναι θετικά φορτισμένο ενώ το άλλο αρνητικά φορτισμένο. Ανιχνεύσαμε λοιπόν ένα ζευγάρι μιονίου-αντιμιονίου. Αυτό είναι ένα καθαρό σημάδι ότι παρήχθη ένα μποζόνιο Ζ.




  • Και στις δύο όψεις παρατηρούμε διάφορες τροχιές στον ανιχνευτή τροχιών καθώς και εναποθέσεις (με κίτρινο) στο ηλεκτρομαγνητικό θερμιδόμετρο (στο πράσινα τμήμα του ανιχνευτή). Οι δύο πύργοι στο γράφημα-lego αντιστοιχούν στις δύο κύριες εναποθέσεις στο θερμιδόμετρο. Καθώς δεν υπάρχουν τροχιές που καταλήγουν σ' αυτές τις εναποθέσεις, δεν μπορεί να είναι ηλεκτρόνια αλλά φωτόνια, καθώς θα μας βεβαιώσει η επόμενη εικόνα.
  • Αλλάζοντας την ελάχιστη τιμή της εγκάρσιας ορμής (Control Window) από 1 GeV σε 5 GeV (pT-cut) όλες οι τροχιές εξαφανίζονται. Στο Track Momentum Window αλλάζουμε από την όψη "Track" στην "Physics Objects". Στην συγκεκριμένη περίπτωση, τα φυσικά αντικείμενα είναι φωτόνια, καθώς δεν εμφανίζονται τροχιές που να αντιστοιχούν σ' αυτά. Επιλέγοντας τα "Physics Objects", φαίνονται στο γεγονός επιπλέον σημάδια που οδηγούν στην εναπόθεση του θερμιδομέτρου. Η παραπάνω εικόνα δείχνει την παρουσία ενός γεγονότος με δύο φωτόνια (γεγονός γγ).
  • Τώρα, μπορείς να εισάγεις τα δύο φωτόνια στο παράθυρο της αναλλοίωτης μάζας κάνοντας κλικ στην ένδειξη "Photon" στο παράθυρο "Track Momentum". Το ζευγάρι αυτό των φωτονίων έχει μια αναλλοίωτη μάζα 110,1 GeV




  • Το γεγονός αυτό παρουσιάζει δύο εναποθέσεις στο θερμιδόμετρο (μια σε κάθε όψη, σε κίτρινο) με πύργους ενέργειας στο γράφημα lego.
  • Μετά τον περιορισμό της εγκάρσιας ορμής pT στα 5 GeV, παρατηρούμε την μια εναπόθεση δίχως αντίστοιχη τροχιά και την άλλη να αντιστοιχεί με ένα ζευγάρι τροχιών (δες το σε μεγέθυνση). Το ζευγάρι αυτό (με αριθμούς 45, 46) έχει μια αναλλοίωτη μάζα M(e+e-) =0.2GeV, συμβατή με μετατροπή του φωτονίου σε ηλεκτρόνιο ποζιτρόνιο (δίδυμη γένεση). Το ζευγάρι των τροχιών αυτών εξαφανίζεται αν απαιτήσουμε να έχουν "χτυπηθεί" τουλάχιστον δύο εικονοστοιχεία (pixel). Δες την επόμενη εικόνα.
  • Το ζευγάρι e+e- που αντιστοιχεί στην μία εναπόθεση εξαφανίζεται αν απαιτήσουμε να έχουν "χτυπηθεί" τουλάχιστον δύο εικονοστοιχεία. Τι γίνεται με το άλλο ζευγάρι ηλεκτρονίων; Σχεδόν δεν υπάρχει αντίστοιχη εναπόθεση ενέργειας στο θερμιδόμετρο και οι δύο τροχιές έχουν το ίδιο πρόσιμο. Το ζευγάρι αυτό των τροχιών μπορεί να θεωρηθεί ως τυχαίο και να παραληφθεί. Μάλιστα, αν απαιτήσουμε pT μεγαλύτερη των 10 GeV, οι τροχιές θα εξαφανιστούν. Το φωτόνιο έχει μια αναλλοίωτη μάζα M(γγ)=110,1 GeV.




  • Το γεγονός αυτό παρουσιάζει πολλές τροχιές, 2 από τις οποίες είναι σίγουρα μιόνια που "χτυπούν" τους μιονικούς θαλάμους (έλεγξε και τις 2 όψεις). Έχει επίσης 2 σοβαρές εναποθέσεις (μεγάλοι πύργοι στο γράφημα lego) με πιθανές αντίστοιχες τροχιές. Ας προχωρήσουμε.
  • Αυξάνοντας το pT στα 12 GeV (από το "Control Window"), μένουν μόνο 4 τροχιές, δύο μιόνια με αντίθετο πρόσημο και δύο ηλεκτρόνια με αντίθετο πρόσημο. Στην τελευταία περίπτωση φαίνεται καθαρά η συσχέτηση των τροχιών και της εναπόθεσης στο θερμιδόμετρο. Κάθε ζευγάρι προέρχεται από ένα Z (M(ee)=89,6 GeV και M(μμ)=91,1 GeV). Αυτό είναι ένα γεγονός ZZ που οδηγεί σε 4 λεπτόνια με αναλλοίωτη μάζα M(4 l)=291 GeV.




  • Αυτό το γεγονός, μετά τον περιορισμό της pT στα 5 GeV, παρουσιάζει 4 τροχιές, καθε μια να αντιστοιχεί σε μια εναπόθεση ενέργειας στο θερμιδόμετρο. Κάθε ζευγάρι προέρχεται από ένα Z (M(ee)=89,9 GeV και M(ee)=8.6 GeV). Αυτό είναι ένα γεγονός ZZ που οδηγεί σε 4 ηλεκτρόνια με αναλλοίωτη μάζα M(4 l)=22,7 GeV.


Διαδικασίες υποβάθρου


  • Το γεγονός αυτό δεν αποτελεί γεγονός σήμα για δύο λόγους: 1. βλέπεις θυσάνους (πίδακες) σωματιδίων και 2. η τιμή της ελλείπουσας εγκάρσιας ορμής είναι πολύ μικρή για να αντιστοιχεί σε νετρίνο που παράχθηκε (και διέφυγε).
  • Και οι δύο όψεις μεγεθυμένες και με χρήση της δυνατότητας "μάτι ψαριού" δείχνουν καθαρά τους πίδακες των σωματιδίων.
  • Στην εικόνα φαίνεται σε μεγέθυνση η πλαϊνή όψη ενός γεγονότος. Μπορείς να αναγνωρίσεις δύο κορυφές σύγκρουσης σε απόσταση περίπου 60 εκατοστών. Οι κορυφές σημειώνονται με κόκκινους κύκλους. Τώρα μπορείς να καταλάβεις πόσο περίπλοκο θέμα είναι η ταυτοποίηση των γεγονότων.


  • Πρόσεξε ότι η τιμή της ελλείπουσας εγκάρσιας ορμής είναι 38 GeV σε αυτό το γεγονός. Αυτό σημαίνει ότι δημιουργήθηκε ένα νετρίνο. Μπορούμε να δούμε μία τροχιά και από την πλαϊνή όψη και από την όψη βάσης.
  • Από την όψη βάσης μπορείς να δείς καθαρά ένα μιόνιο (ή αντιμιόνιο). Η τροχιά του μέσα στον ανιχνευτή τροχιών έχει αντίθετη φορά από την κόκκινη διακεκομμένη γραμμή. Αυτό είναι ένα σημάδι της διάσπασης του μποζονίου W σε μιόνιο (κατευθύνεται προς τα αριστερά στην εικόνα) και σε νετρίνο (κατευθύνεται προς τα δεξιά).


  • Στην όψη βάσης μπορείς να δεις τις ενδείξεις από ένα ηλεκτρόνιο με μεγάλη εγκάρσια ορμή και από ένα νετρίνο (η ελλείπουσα εγκάρσια ορμή είναι 39 GeV) που κινείται στην αντίθετη κατεύθυνση. Στην πλαϊνή όψη μπορείς να διακρίνεις καθαρά το μοναχικό ηλεκτρόνιο.
  • Η πληροφορία για την τροχιά του λεπτονίου μας υποδεικνύει ότι πράγματι είναι ηλεκτρόνιο (πρόσεξε το αρνητικό πρόσημο).