Войти
Вид на детектор пузырьковой камеры Гаргамель в Западном зале в ЦЕРН, февраль 1977 г. 
Камера Гаргамеля в настоящее время выставляется в ЦЕРН Гаргамель . барботажная камера с тяжелой жидкостью детектор, работавший в ЦЕРН с 1970 г. и 1979. Он был разработан для обнаружения нейтрино и антинейтрино, которые были получены с помощью пучка протонного синхротрона (PS) в период с 1970 по 1976 год, до того, как детектор был перемещен на суперпротонный синхротрон (SPS ). В 1979 году в пузырьковой камере была обнаружена непоправимая трещина, и детектор был списан. В настоящее время он является частью открытой для публики выставки «Микрокосм» в ЦЕРНе.
Гаргамель известен как эксперимент, в котором были обнаружены нейтральные токи. Обнаруженные в июле 1973 года нейтральные токи были первым экспериментальным указанием на существование Z-бозона и, следовательно, большим шагом к проверке теории электрослабого взаимодействия.
Гаргамель может относиться как к самому детектору пузырьковой камеры, так и к эксперименту по физике высоких энергий под тем же названием. Само название происходит из романа 16-го века Франсуа Рабле, Жизнь Гаргантюа и Пантагрюэля, в которых великанша Гаргамель - мать Гаргантюа.
Событие, в котором электрон и нейтрино изменяют импульс и / или энергию путем обмена нейтральным Z-бозоном. Ароматизаторы не затронуты. В серии отдельных работ в 1960-х годах появились Шелдон Глэшоу, Стивен Вайнберг и Абдус Салам вместе с теорией, которая объединила электромагнитное и слабое взаимодействие между элементарными частицами - теорию электрослабого взаимодействия - для которой они разделили 1979 Нобелевская премия по физике. Их теория предсказывала существование W- и Z-бозонов как пропагаторов слабого взаимодействия. Бозоны W имеют электрический заряд, положительный (W) или отрицательный (W), однако Z не имеет заряда. Обмен Z-бозоном передает импульс, спин и энергию, но оставляет неизменными квантовые числа частицы - заряд, аромат, барионное число, лептонное число и т. Д. Поскольку перенос электрического заряда отсутствует, обмен Z обозначается как «нейтральный ток ". Нейтральные токи были предсказанием электрослабой теории.
В 1960 году Мелвин Шварц предложил метод получения энергичного нейтринного пучка. Эта идея была использована Шварцем и другими в эксперименте в 1962 году в Брукхейвене, который продемонстрировал существование мюона и электронного нейтрино. Шварц получил за это открытие Нобелевскую премию по физике 1988 года. До идеи Шварца слабые взаимодействия изучались только при распаде элементарных частиц, особенно странных частиц. Использование этих новых нейтринных пучков значительно увеличило энергию, доступную для изучения слабого взаимодействия. Гаргамель был одним из первых экспериментов, в которых использовался пучок нейтрино, полученный с помощью пучка протонов от PS.
Пузырьковая камера - это просто емкость, заполненная перегретой жидкостью. Заряженная частица, проходящая через камеру, оставляет след ионизации, вокруг которого жидкость испаряется, образуя микроскопические пузырьки. Вся камера находится в постоянном магнитном поле, в результате чего следы заряженных частиц искривляются. Радиус кривизны пропорционален импульсу частицы. Следы фотографируются, и, изучая следы, можно узнать о свойствах обнаруженных частиц. Пучок нейтрино, прошедший через пузырьковую камеру Гаргамеля, не оставил следов в детекторе, поскольку нейтрино не имеют заряда. Таким образом, взаимодействия с нейтрино были обнаружены путем наблюдения за частицами, возникающими в результате взаимодействия нейтрино с составляющими вещества. Нейтрино имеют чрезвычайно малые сечения, что означает, что вероятность взаимодействия очень мала. В то время как пузырьковые камеры обычно заполнены жидким водородом, Гаргамель был заполнен тяжелой жидкостью - CBrF3 (фреон), что увеличивало вероятность наблюдения взаимодействия нейтрино.
Монтаж корпуса камеры Гаргамель. Размещение камеры в продолговатых магнитных катушках. Область физики нейтрино быстро расширялась в 60-х годах. Эксперименты по нейтрино с использованием пузырьковых камер уже проводились на первом синхротроне в ЦЕРНе, PS, и вопрос о следующем поколении пузырьковых камер стоял на повестке дня в течение некоторого времени. Андре Лагарриг, уважаемый физик из Политехнической школы в Париже, и некоторые из его коллег написали первый опубликованный отчет от 10 февраля 1964 года, в котором предлагалось построить камеру для тяжелой жидкости. будет построен под контролем CERN. Он сформировал сотрудничество, состоящее из семи лабораторий: École Polytechnique Paris, RWTH Aachen, ULB Bruxelles, Istituto di Fisica dell'Università di Milano, ЛАЛ Орсе, Университетский колледж Лондона и ЦЕРН. Группа собралась в Милане в 1968 году, чтобы перечислить приоритеты физики для эксперимента: сегодня Гаргамель известен своим открытием нейтральных токов, но при подготовке программы по физике эта тема даже не обсуждалась, и в окончательном предложении она оценивается как пятое по приоритету. В то время не было единого мнения относительно теории электрослабого взаимодействия, которая могла бы объяснить список приоритетов. Кроме того, в более ранних экспериментах по поиску нейтральных токов при распаде нейтрального каона на два заряженных лептона были измерены очень маленькие пределы около 10.
Из-за бюджетных ограничений. Кризис, эксперимент не был одобрен в 1966 году, вопреки ожиданиям. Виктор Вайскопф, генеральный директор ЦЕРН, и Бернар Грегори, научный директор, сами решили выделить деньги, последний предложил ЦЕРН ссуду для покрытия взноса, причитающегося в 1966 году. окончательный контракт был подписан 2 декабря 1965 года, что стало первым случаем в истории ЦЕРН, когда инвестиции такого рода были одобрены не Советом, а Генеральным директором, использующим свои исполнительные полномочия.
Зал Гаргамель был полностью построен в Сакле. Хотя строительство затянулось примерно на два года, его наконец собрали в ЦЕРНе в декабре 1970 года, а первый важный запуск произошел в марте 1971 года.
Внутри пузырьковой камеры. На стенах камеры видны линзы «рыбий глаз». Гаргамель была 4,8 метра в длину и 2 метра в диаметре, и в ней содержалось 12 кубометров тяжелого жидкого фреона. Чтобы искривлять следы заряженных частиц, Гаргамель был окружен магнитом, обеспечивающим поле 2 Тесла. Катушки магнита были сделаны из меди, охлаждаемой водой, и повторяли продолговатую форму Гаргамеля. Чтобы поддерживать жидкость при соответствующей температуре, корпус камеры окружали несколько водяных трубок для регулирования температуры. Вся установка весила более 1000 тонн.
При записи события камера освещалась и фотографировалась. Система освещения испускала свет, который рассеивался пузырьками под углом 90 ° и направлялся в оптику. Источник света состоял из 21 точечной вспышки, расположенной на концах корпуса камеры и над половиной цилиндра. Оптика была расположена в противоположной половине цилиндра, распределена в два ряда параллельно оси камеры, каждый из которых имел по четыре оптики. Объектив состоит из набора линз с угловым полем 90 °, за которыми следует расходящаяся линза, расширяющая поле до 110 °.
Схема линии луча между PS и пузырьковой камерой Гаргамель Гаргамель был разработан для обнаружения нейтрино и антинейтрино. Источником нейтрино и антинейтрино служил пучок протонов с энергией 26 ГэВ от ПС. Протоны извлекались с помощью магнита и затем направлялись через соответствующий набор квадрупольных и дипольных магнитов, обеспечивая необходимые степени свободы в положении и ориентации для настройки луча на мишень. Мишень представляла собой цилиндр из бериллия, длиной 90 см и диаметром 5 мм. Материал мишени был выбран таким образом, чтобы адроны, образовавшиеся в результате столкновения, состояли в основном из пионов и каонов, которые оба распадались на нейтрино. Образовавшиеся пионы и каоны имеют различные углы и энергии, и, следовательно, их продукты распада также будут иметь огромный разброс по импульсам. Поскольку нейтрино не имеют заряда, их нельзя сфокусировать с помощью электрических или магнитных полей. Вместо этого вторичные частицы фокусируют с помощью магнитного рупора, изобретенного лауратом Нобеля Саймоном ван дер Меером. Форму рупора и силу магнитного поля можно настроить, чтобы выбрать диапазон частиц, которые должны быть наилучшим образом сфокусированы, в результате чего будет получен сфокусированный нейтринный пучок с выбранным диапазоном энергии в качестве каонов и пионы распадаются. Путем изменения направления тока через рупор можно получить пучок антинейтрино. Гаргамель поочередно работал в пучке нейтрино и антинейтрино. Изобретение Ван дер Меера увеличило поток нейтрино в 20 раз. Пучок нейтрино имел энергию от 1 до 10 ГэВ.
магнитный рупор Саймона ван дер Меера, использованный в канале нейтрино в Гаргамель. После фокусировки пионы и каоны были направляется через туннель длиной 70 м, позволяя им разлагаться. Пионы и каоны, которые не распадались, ударялись о щит в конце туннеля и поглощались. При распаде пионы и каоны обычно распадаются на π → μ + ν и K → μ + ν, что означает, что поток нейтрино будет пропорционален потоку мюонов. Поскольку мюоны не поглощались как адроны, поток заряженных мюонов был остановлен процессом электромагнитного замедления при длительном экранировании. Поток нейтрино измерялся через соответствующий поток мюонов с помощью шести плоскостей кремний-золотых детекторов, размещенных на разной глубине в экранировании.
В течение 1971-1976 годов были получены большие коэффициенты улучшения интенсивности, сначала с помощью новый инжектор для PS - Proton Synchrotron Booster - и, во-вторых, тщательное изучение лучевой оптики.
Это событие показывает реальные треки, образовавшиеся в пузырьковой камере Гаргамеля , которые обеспечили первое подтверждение лептонного взаимодействия нейтрального тока.. нейтрино взаимодействует с электроном, след которого виден горизонтально, и появляется как нейтрино, не производя мюон.. Первым главным квестом Гаргамеля было поиск свидетельств жесткого рассеяния мюон-нейтрино и антинейтрино на нуклонах. Приоритеты изменились в марте 1972 г., когда стали очевидны первые намеки на существование адронного нейтрального тока. Тогда было решено предпринять двойную атаку в поисках нейтральных нынешних кандидатов. Одна строка будет искать лептонные события - события, связанные с взаимодействием с электроном в жидкости, например. ν. μ+. e. →. ν. μ+. e. или. ν. μ+. e. →. ν. μ+. e.. Другая строка будет искать адронные события, связанные с нейтрино, рассеянным адроном, например. ν. +. p. →. ν. +. p.,. ν. +. n. →. ν. +. p. +. π. или. p. →. ν. +. n. +. π., плюс события с большим количеством адронов. Лептонные события имеют небольшие сечения, но, соответственно, небольшой фон. Адронные события имеют более крупный фон, в основном из-за нейтронов, образующихся при взаимодействии нейтрино в материале вокруг камеры. Нейтроны, поскольку они не имеют заряда, не будут обнаружены в пузырьковой камере, а обнаружение их взаимодействий будет имитировать события нейтральных токов. Чтобы уменьшить нейтронный фон, энергия адронных событий должна была быть больше 1 ГэВ.
Первый пример лептонного события был обнаружен в декабре 1972 года в Гаргамелле аспирантом из Аахена. К марту 1973 г. было обнаружено 166 адронных событий, 102 события с пучком нейтрино и 64 события с пучком антинейтрино. Однако вопрос о нейтронном фоне зависел от интерпретации адронных событий. Проблема была решена путем изучения событий заряженного тока, которые также имели ассоциированное взаимодействие нейтронов, которое удовлетворяло отбору адронных событий. Таким образом, можно контролировать нейтронный фоновый поток. 19 июля 1973 года коллаборация Гаргамель представила открытие нейтральных токов на семинаре в ЦЕРНе.
Коллаборация Гаргамеля обнаружила как лептонные нейтральные токи - события, связанные с взаимодействием нейтрино с электроном, - так и адронные нейтральные токи - события, когда нейтрино рассеивается от нуклон. Открытие было очень важным, поскольку оно поддерживало теорию электрослабого взаимодействия, которая сегодня является столпом Стандартной модели. Окончательное экспериментальное подтверждение теории электрослабого взаимодействия было получено в 1983 году, когда коллаборация UA1 и UA2 открыла W- и Z-бозоны.
. Первоначально первоочередной задачей Гаргамеля была для измерения сечений нейтрино и антинейтрино и структурных функций. Причиной этого была проверка кварковой модели нуклона. Во-первых, было показано, что сечения нейтрино и антинейтрино линейны по энергии, что и ожидается от рассеяния точечных составляющих в нуклоне. Комбинирование структурных функций нейтрино и антинейтрино позволило определить чистое количество кварков в нуклоне, и это хорошо согласуется с 3. Кроме того, сравнение результатов нейтрино с результатами из Стэнфордского центра линейных ускорителей (SLAC) в США с помощью электронного пучка было обнаружено, что кварки имеют дробные заряды, и экспериментально подтверждены значения этих зарядов: + ⁄ 3e, - ⁄ 3 e. Результаты были опубликованы в 1975 году и предоставили решающее свидетельство существования кварков.
