5. Порядок выполнения работы

5.1.  Запуск программы

    При открытии окна браузера серым прямоугольником будет отмечена область отображения Java-applet’а. В этой области появится окно с изображением треков заряженных частиц (рис. 15).

Рис. 15.

5.2.   Просмотр и анализ процессов рождения и распада Z-бозонов

    1. На рис. 15 слева расположено главное окно. Окружность условно изображает границу внутреннего детектора ATLAS. Заряженные частицы, которые на эксперименте могут быть восстановлены программой реконструкции, показаны желтыми линиями. Голубые линии показывают частицы, которые по каким-либо причинам не могут быть реконструированы (например, из-за маленького поперечного импульса). Цветные «столбики» вне окружности условно изображают сигналы от частиц, регистрируемых в окружающих внутренний трековый детектор калориметрах и в мюонной системе, расположенной за калориметрами:

• красные − электрон;
• зеленые − γ-квант;
• фиолетовые − мюон;
• синие − адронные струи;
• белые − нейтральные частицы, реконструируемые по недостающей массе.

    Не все типы "столбиков" одновременно могут присутствовать в каждом отдельном событии.
    При нажатии на кнопки, расположенные в правой части окна, в главном окне появляются соответствующие проекции - Top View, Side View, Front View.
    Можно вращать изображение события, нажав левую кнопку мыши и, удерживая её, передвигать в разных направлениях.
    Перемещение мыши вдоль оси х приводит к вращению детектора вокруг оси симметрии.
    Перемещение мыши вдоль оси у приводит к вращению детектора вокруг горизонтальной оси.
    Кнопка Next показывает следующее событие, a Previous − предыдущее.

    2. При наведении курсора на трек в центральной части рис. 15 можно прочитать характеристики соответствующей частицы:

• название;
• компоненты импульса (ГэВ/с);
• энергию (ГэВ).
• X,Y − координаты курсора в сантиметрах.

    Для частиц используются следующие обозначения:

• р − протон;

• р~ − антипротон;

• pi − π-мезон;

• K − K-мезон;

• mu − мюон;

• е − электрон;

• nu_e / nu_e~ − электронное нейтрино/антинейтрино;

• nu_mu / nu_mu~ − мюонное нейтрино/антинейтрино.

3. Просмотрите ~100 событий, пока не найдете события с двумя электронами и с двумя мюонами (два красных или фиолетовых «столбика»), разлетающимися в разные стороны т.е. под относительным углом в поперечной плоскости (Front View) близким к 180^o.
    Запишите значения энергии и всех трёх компонент импульса обоих лептонов. Вычислите значение инвариантной массы системы двух частиц.

5.3. Определение массы Z-бозона по результатам статистического анализа

    На главной странице выберите пункт "статистическая обработка". При открытии окна браузера появится окно с изображением результатов статистической обработки сгенерированных событий.

Рис. 16.

    По оси X гистограммы будет отложена инвариантная масса, по оси Y - число событий с инвариантной массой, попадающей в интервал, соответствующий одной «ступеньке» гистограммы:

“jet” - 2-х струй
“m+m-” - µ⁺µ⁻-пар
“e+e-” - e⁺e⁻-пар

    На гистограмму наложена кривая аппроксимации соответствующих распределений гауссовской функцией.

1. Запишите среднее значение массы и дисперсию распределения. Вычислите значение среднеквадратичной погрешности определения массы Z-бозона с учетом числа событий.

2. Сравнить и объяснить различие средних значений и дисперсий полученной массы Z-бозона между собой и с табличным значением массы Z-бозона.

5.4. Анализ продуктов p-p столкновений

    В центральной области окна (круге) видны треки заряженных частиц, рождающихся при протон-протонных соударениях в ускорителе LHC. Наводя курсор поочередно на все треки, запишите, какие частицы соответствуют этим трекам.

1. Оцените отношение числа заряженных пионов к числу заряженных K-мезонов. Запишите реакции рождения пионов и каонов в протон-протонных столкновениях. Перечислите законы сохранения, выполняющиеся в этих реакциях.
2. Определите величины пороговых энергий пучков протонов в коллайдере для рождения зафиксированных Вами количеств пионов и каонов.
3. Оцените отношение числа частиц с положительным зарядом к числу частиц с отрицательным зарядом, образующихся в p-p столкновениях.

Контрольные вопросы и задачи

1. Для ультрарелятивистской частицы укажите связь между длиной волны частицы X и энергией частицы Е.
2. Как зависит радиус кривизны треков частиц в детекторе от характеристик частиц?
3. Пользуясь таблицей фундаментальных фермионов, составьте таблицу фундаментальных антифермионов.
4. Укажите значения зарядов и спинов фундаментальных бозонов.
5. Какие частицы рождаются в p-p столкновениях высоких энергий с наибольшей вероятностью?
6. Нарисуйте кварковые диаграммы следующих процессов:

(a)   p + p → p + p + π⁰;

(b)   p + p → p + p + π⁺ + π⁻;

(c)  p + p → p + p + 2π⁰.

7. Могут ли в адронных струях присутствовать нейтральные частицы?
8. Нарисуйте диаграммы рождения Z-бозонов в

(a)   электрон-позитронных столкновениях;

(b)  протон-антипротонных столкновениях;

(c)  протон-протонных столкновениях.

9. Нарисуйте диаграммы слабых распадов, в которых участвуют промежуточные бозоны.
10. Какие каналы распада Z-бозонов относятся к разряду ненаблюдаемых?
11. Оцените среднее время жизни Z-бозона по его ширине Γ = 2,5 ГэВ.
12. Почему определение массы Z-бозона по энергиям струй (jets) приводит к заниженным значениям массы?
13. Используя соотношение неопределенности и значение массы промежуточных бозонов, оцените радиус слабых взаимодействий.