Descubriendo el CERN 3/3

ANALIZANDO LAS PARTÍCULAS CON WIRED



WIRED es un entorno de laboratorio virtual e interactivo para física de partículas. Con WIRED se estudian las colisiones reales que han sido registradas en el detector DELPHI del CERN.

En esta entrada vamos a tratar cómo debemos identificar las partículas que son registradas en el detectar y cómo interpretar los resultados que vemos en la pantalla de nuestro ordenador.

La entrada de hoy ha sido elaborada con la información presentada en el CD del taller de física de partículas, ya que esta parte trató exclusivamente de trabajo práctico y nada teórico, por lo cual, no dispongo de muchas notas sobre ello.


Ayuda de WIRED: Información sobre los sucesos

La parte superior de la ventana tiene tres cajas con información importante acerca del suceso presente:

Ecms: La energía de colisión ( en GeV) para el suceso presente.

Número de trazas: El número de partículas detectadas en el suceso presente.

Energía: Energía detectada/medida ( en GeV) para el suceso presente. Si la energía de todas las partículas del suceso es medida correctamente, la energía medida debería igualar a la energía entrante en la colisión.



Ayuda de WIRED: Imagen de la colisión

La mayor parte de la ventana muestra una imagen del suceso seleccionado. Ahí se muestran las trazas de todas las partículas con líneas coloreadas. Un programa de cómputo de reconstrucción ha agrupado las partículas en dos o más grupos. Las partículas de cada grupo son marcadas con el mismo color ( rojo, verde, azul, amarillo, etc...)

Las trazas de partículas cargadas se muestran con colores brillantes. Estas trazas están, a menudo, curvadas por la acción del campo magnético del detector.

Las partículas neutras no dejan trazas en el detector de trazas, pero pueden ser localizadas con la ayuda de la deposición de energía en los calorímetros. En WIRED las partículas neutras se muestran como líneas rectas en un sombreado negro.

Puede mirar al suceso desde diferentes ángulos y distancias, mediante el ratón. Presionar el botón del ratón y mover el apuntador sobre la imagen para girar o ampliarla.

Ayuda de WIRED: Selección de sucesos

En la esquina superior derecha hay un menú para seleccionar el suceso a mostrar.

El botón del medio muestra el número de "run", de suceso y el año para el suceso presente.

Seleccione un suceso presionando el botón del medio y marcando un suceso en la lista que aparezca.

También puede usar los botones de izquierda y derecha para ir hacia atrás y adelante en los sucesos.

Ayuda de WIRED: La función del ratón

En esta caja se selecciona el efecto de mover el apuntador del ratón sobre la imagen con el botón del ratón presionado.

Seleccione Rotar para cambiar el ángulo de vista o Ampliar para cambiar el tamaño.

La función seleccionada es activada al presionar el botón izquierdo del ratón y mover el apuntador sobre la imagen. Si se presiona, en vez de ello, el botón derecho del ratón se activará la otra función.

Ayuda de WIRED: Diferentes vistas

En esta caja puedes escoger entre tres ángulos de vista prefijados:

End view: muestra el suceso tal como se ve desde las tapas del detector. En este caso la pipa del haz entra en la imagen.

Side view: muestra el suceso visto desde un lado del detector. En este caso la pipa del haz va de izquierda a derecha de la imagen.

Reset: igual que End view y además el aumento es fijado de modo que todas las trazas son visibles en la pantalla.

Subdetectores

Identificación de partículas: electrones y fotones

Los electrones dejan trazas en el detector y energía ( a menudo grande) en el calorímetro electromagnético. Recuerde que la traza y la deposición en el calorímetro deberían ser coloreadas con un sombreado brillante, al ser el electrón una partícula cargada.

Los positrones se comportan como los electrones, su única diferencia es que sus trazas se curvan en la dirección contraria a las de los electrones. Cuando use WIRED no tiene que distinguir entre electrones o positrones.

Como los electrones, los fotones dejan una deposición en el calorímetro electromagnético, pero al ser neutros no generan trazas en los detectores de trazas. Las deposiciones de energía en el calorímetro electromagnético tienen un sombreado negro si son debidas a fotones.

La clave para identificar electrones, positrones y fotones es observar las deposiciones de energía en el calorímetro electromagnético.


Identificación de partículas: muones y neutrinos

Un muón deja una traza en el detector de trazas y una marca (una cruz) en el detector de muones. Recuerde que la traza y la cruz deberían estar coloreadas con un sombreado brillante, pues el muón es una partícula cargada. Use los detectores de muones, en WIRED, para detectar muones.

El detector de muones es, asimismo, clave para detectar neutrinos. Como los neutrinos interactúan solo débilmente con la materia, pasarán a través de DELPHI sin dejar traza. Se puede prever la existencia de neutrinos en un suceso comparando la energía de colisión con la detectada. Está será menor, si se han producido neutrinos.

A menudo los neutrinos son muy energéticos, de modo que la energía detectada será mucho menor que la energía de la colisión.

Sin embargo, el método para reconocer neutrinos no es infalible. A veces desaparecen otras partículas ( por ejemplo en el tubo de vacío del haz) con energía que no es detectada por DELPHI. La incertidumbre acerca de neutrinos es causada también por la medida de la energía de los jets, que no es exacta.


Identificación de partículas: partículas de corta vida

Algunas partículas creadas en una colisión de partículas decaerán instantáneamente en otras partículas. En tales casos hay que observar las partículas de la desintegración e inferir de ellas la naturaleza de la partícula inicial.

El ejemplo más común son los quarks, que, según el modelo estándar, no existen libres. Un quark creará un chorro de muchas partículas ( un "jet") Tal jet contendrá diez o más partículas. Los quarks creados en una colisión son, usualmente, fáciles de identificar ya que los jets son claramente visibles en el detector.

A veces un quark emite un gluón ( radiación de la interacción nuclear fuerte) en un estadio temprano. Dicho gluón creará un jet del mismo modo que los quarks.

Las partículas tau también decaen antes de ser observadas en el detector. Un tau decae en 1o 3 partículas cargadas y varias neutras. Si varias partículas neutras son creadas, se producirá un minijet que se asemeja a los jets de los quarks. Sin embargo, el número de partículas es menor, menos de diez. A menudo se crean varios neutrinos, en las desintegraciones de las partículas tau.

En consecuencia, la energía detectada será menor que la energía de la colisión.


Identificación de partículas: problemas comunes

A veces es difícil identificar los tipos de partículas que han intervenido en una colisión. El problema más corriente es debido a que las partículas desaparecen en el tubo de vacío de los haces o en un espacio no cubierto por el detector. Si las partículas que desaparecen transportan suficiente energía, se obtendrá una señal falseada de neutrinos.

Partículas que desaparecen causan una imagen de la colisión diferente a la real. Así un chorro de hadrones debido a la hadronización de un quark ( llamado "jet") que vaya en la dirección del tubo de vacío puede simular un mini-jet de un leptón tau, si alguno de los hadrones desaparecen en el tubo de vacío.

Las partículas tau son notablemente difíciles de detectar, ya que solo se observan sus productos de desintegración. Su "firma" de 1 o 3 partículas cargadas procedentes de su desintegración, puede ser destruida si una de ellas no se detecta, por las razones expuestas más arriba. Es bastante frecuente, asimismo, que un tau decaiga en dos neutrinos más un electrón o muón. Dicho electrón/muón será difícil de distinguirle de los que se originan directamente en la colisión inicial.

Las colisiones han sido analizadas con un programa de ordenador que pone colores a las trazas de las partículas, en función del jet al que pertenecen. El número de jets puede estimarse, por lo tanto, contando el número de colores de las trazas. Sin embargo, el programa puede cometer un error, algunas veces, juntando dos jets en uno, o dividiendo un jet en dos.

Por lo tanto, es fácil cometer un error al analizar una sola colisión. Esto deja de ser problemático cuando se analizan muchas colisiones y se aplican las reglas estadísticas. Los ejercicios con WIRED deberían completarse analizando cientos de colisiones.