Рождение и раcпад Z-бозонов

    Целью настоящей работы является изучение процессов взаимодействия элементарных частиц при высоких энергиях. Изучение таких процессов является основой физической программы современных ускорителей. В работе используется компьютерное моделирование регистрации продуктов протон-протонных столкновений при энергиях, соответствующих энергиям коллайдера LHC. Исследуются процессы рождения Z-бозонов и их последующие распады.

1. Большой адронный коллайдер (LHC) и детектор ATLAS.
2. Фундаментальные частицы и фундаментальные взаимодействия.
3. Рождение W и Z-бозонов.
4. Распады промежуточных бозонов. Определение массы Z-бозона.
5. Порядок выполнения работы. Контрольные вопросы и задачи.
   1. Просмотр и анализ процессов рождения и распада Z-бозонов
   2. Определение массы Z-бозона по результатам статистического анализа

Краткие  сведения  об  используемых программных продуктах

    Система моделирования и анализа процессов рождения и распада Z-бозона состоит из двух частей.
    Для моделирования процессов рождения частиц и их последующих распадов используется программный пакет PYTHIA 6.2 ("Пифия").
    Обработку и визуализацию событий выполняет JAVA-applet.

5.1. PYTHIA 6.2

    Для корректного моделирования процессов рождения и распада частиц необходимо учитывать условия проведения эксперимента. Это условия рождения изучаемых частиц на ускорителе при соответствующих энергиях сталкивающихся пучков, полные цепочки распадов частиц до уровня "стабильных частиц", регистрируемых детектором. Для решения этих задач применяются генераторы событий, использующие метод Монте-Карло.
    Генератор PYTHIA является широко используемой в физике высоких энергий программой моделирования столкновений различных частиц в широком диапазоне энергий. Этот генератор учитывает процессы фрагментации кварков в адроны и разыгрывает сложные цепочки адронных распадов. Стартуя с заданного пользователем процесса, (столкновение двух протонов с рождением Z-бозона и т.п.) программа случайным образом (с учетом законов сохранения и, по возможности, теоретически известной структуры взаимодействия) разыгрывает конфигурацию конечных партонов, а затем моделирует т.н. процесс адронизации - процесс превращения ненаблюдаемых кварков и глюонов в реальные стабильные и нестабильные частицы с последующим распадом нестабильных частиц. На выходе программа выдает список всех частиц, родившихся в результате столкновения заданных первичных частиц, значения их компонент импульса и энергии. Кроме того, имеется возможность проследить последовательность рождений и распадов от первичного взаимодействия до рождения данной частицы. В качестве входных параметров программы используются описания сталкивающихся частиц, их энергий и тип моделируемого процесса (например, рождение Z-бозона). Существующие версии пакета РYTHIА написаны на языке программирования FORTRAN.
    Результаты генерации - характеристики вторичных частиц -записываются в файл, что позволяет в дальнейшем проводить статистическую обработку событий.

5.2. JAVA-applet

    Второй частью системы является JAVA-applet. Важным этапом в подготовке любого современного эксперимента, помимо чисто теоретического изучения процессов, которые предполагается изучать, является моделирование экспериментальной установки. Полное моделирование всех детекторов и происходящих в них во время эксперимента процессов является исключительно трудоёмкой задачей, требующей громадных вычислительных мощностей. Для моделирования установки класса ATLAS, например, используются фермы из десятков современных рабочих станций и до года работы для набора достаточной статистики полностью промоделированных событий. Для подобной работы используются специализированные программы, созданные работой десятков специалистов-физиков. В программах моделирования по возможности полностью моделируются все существенные процессы прохождения частиц через детектор, процессы получения сигналов с детекторов, их последующая обработка и, наконец, процедура реконструкции параметров объекта (частицы, струи частиц, электромагнитного кластера в калориметре и т.д.) по сигналам от детекторов.

JAVA-applet выполняет:

• загрузку файлов событий с сервера и извлечение информации о событии;
• их обработку;
• построение треков частиц в соответствии с параметрами внутреннего детектора установки ATLAS;
• формирование отображения сигналов от внешних детекторов;
• статистическую обработку событий.

    Использование технологии Java делает возможным функционирование клиентской части системы на любом компьютере, подключённом к сети Интернет, вне зависимости от аппаратной платформы и операционной системы, если установлена необходимая версия виртуальной машины JAVA.