|
Uplatnění vztahu e = mc2 při vzniku t kvarku – Analýza dat z detektoru D0 ve Fermilabu
|
| bet | 2/5 | | Sana | 31.07.2021 | | Hajmi | 210 Kb. | | #16228 |
Obr. 11.9: Vznik kvarku t a zaznamenaný detektorem D0 ve Fermilabu
Obrázek 11.9 můžete vytisknout na folii a ukázat studentům, jak by vypadal vznik t a kvarku, kdybychom se na něj mohli podívat přímo ve středu urychlovače. Je důležité zdůraznit, že t a kvark jsou částice s velmi krátkou dobou života. Velmi rychle se rozpadají na dceřiné částice a ty se také přeměňují na další generaci částic atd. A právě tyto nově vzniklé částice zaznamenávají fyzikové na detektorech ve Fermilabu.
Událost na obrázku 11.9 ukazuje, že kvarky t a nejsou nikdy pozorovány přímo, protože se velmi rychle rozpadají a vznikají tzv. jety částic (spršky). Na obrázku jsou znázorněny schematicky jako rozbíhající se čáry.
Část I
Před sebou byste měli mít barevný graf zachycující jeden z možných výsledků srážky protonu a antiprotonu (jeden z obrázků A.5, A.6 nebo A.7 nazvaný CAL+TKS END VIEW). Takto zaznamenal srážku detektor. Budeme se zabývat právě tímto speciálním případem.
Obecný proces srážky schematicky znázorňuje obrázek níže. Graf před vámi ukazuje pouze výsledné produkty. Přestože se událost zdá na první pohled docela komplikovaná, můžeme ji shrnout do tvrzení, že se srazí proton a antiproton a vznikne dvojice t a kvark. Tyto těžké částice mají velmi krátkou dobu života a rychle se rozpadají na další částice, které se opět rychle rozpadnou. A právě rozpadové produkty zaznamená detektor, v němž se srážka ode-hrála. Jsme schopni pozorovat čtyři tzv. jety (spršky částic), které vzniknou rozpadem částice W boson a lehčích kvarků. Všimněte si nízkoenergetického mionu schovaného v jednom z je-tů. Dalšími rozpadovými produkty této srážky jsou mion a neutrino.
Obr. 11.10: Vznik kvarku t a zaznamenaný detektorem D0 ve Fermilabu
Celý úkol pro studenty je postaven na znalosti sčítání vektorů a žákům by měl k jejímu zvládnutí stačit pouze krátký úvod do světa částicové fyziky. Cíl, kterého by studenti měli během této hodiny dosáhnout, je jednoduchý – určit hmotnost t kvarku.
|
Do přílohy A.2 byly zařazeny tři různé grafické pohledy na stejnou událost označenou jako Run 92704 Event 14022. Jsou to počítačem vygenerované obrázky, které zobrazují událost popsanou výše. Pro lepší prostorovou představu o tomto procesu se nejprve podívejte na barevný graf nazvaný CAL+TKS R-Z VIEW (obr. A.3), který zobrazuje pohled na událost z boční strany detektoru. Pro vaši práci bude nejdůležitější graf označený CAL+TKS END VIEW (obr. A.5), kde je událost zobrazena v příčném průřezu detektorem. Poslední graf je označen jako DST LEGO (obr. A.4) a znázorňuje tutéž událost rozvinutou do plošné sítě (PHI jsou úhly probíhající příčný řez detektorem, ETA úhly probíhající podélný řez).
Obr. 11.11: Různé zobrazení jedné zkoumané události, zmenšenina obrázků
|
Pokud se seznámíte se všemi třemi různými pohledy na zkoumanou událost, zaměřte se na CAL+TKS END VIEW (prostřední obrázek). Toto znázornění se nejvíce podobá kresbě, kterou mají studenti v pracovních listech, a bude použito k „experimentální“ části úkolu. Všim-něte si čtyř červenomodrých „jetů“, které odpovídají čtyřem jetům na schematickém obrázku. Určitě také zaznamenáte plnou zelenou čáru v pravé části grafu, která znázorňuje dráhu mionu. Přerušovaná zelená čára procházející spodním jetem představuje skrytý mion. Hybnosti každého jetu i obou mionů byly v detektoru změřeny a jejich hodnoty jsou vepsány v grafu. Růžový sloupeček, u něhož není v grafu uvedena hodnota hybnosti, je neutrino, které do grafu doplnil počítač. Detektor totiž procházející neutrina ve většině případů nezaznamená (neutrina jen velmi zřídka interagují s látkou), proto se jejich energie a směr musí dopočítat. Celková hybnost v systému před srážkou a po srážce musí být nulová (platí zákon zachování hybnosti), a tak se stačí podívat na celkovou hybnost po srážce (to je nenulová hodnota) a vy-počítaný rozdíl přiřknout neutrinu. A právě určení chybějící hybnosti čeká na studenty a po-vede k určení hmotnosti t kvarku.
|
Po pečlivém prohlédnutí barevného grafu s daty z detektoru si určitě všimnete, že neutrino popisuje růžový sloupeček, u kterého ovšem chybí hodnota hybnosti, která je vyznačena u všech ostatních produktů srážky. Fyzikové vědí z teoretických modelů, že při této srážce neutrino vzniká, ale protože neutrina jen velmi zřídka interagují s látkou, nemůže být hybnost neutrina změřena přímo. Přesto nám může porovnání celkové hybnosti před srážkou a po srážce prozradit, jakou hybnost má vzniklé neutrino.
Úkol: Sestrojte vektorový diagram k určení hybnosti neutrina. Nezapomeňte, že celková hybnost systému musí být nulová, proto bude „chybějící“ hybnost patřit právě neutrinu.
|
| |
