NA52-projektet

Jag arbetar på min doktorsavhandling i NEWMASS-kollaborationen, som genomför tungjonsexperimentet NA52 i det Europeiska partikelfysiklaboratoriet (CERN). Avsikten med NA52-experimentet är att söka efter en ny (meta)stabil exotisk form av materie s.k. särlingar (eng. strangelets). Särlingar är partiklar, som består av flera än tre kvarkar med i stort sett lika stora andelar av u-, d- och s-kvarkar. Det finns ju ingen känd fysikalisk princip som säger att kvarkarna kan bara bilda par (mesoner) eller tripletter (baryoner). Särlingarnas stabilitet motiveras med att Fermi-energin för ett tillräckligt stort tillstånd med ett fixerat antal u- och d-kvarkar är högre än motsvarande tillstånd med u-, d- och s-kvarkar p.g.a. Pauli-principen även om s-kvarken är tyngre än u- och d-kvarken. Modellberäkningar med den s.k. MIT-bagmodellen har verifierat denna idé.

Det finns flera tänkbara produktionsmekanismer för särlingar i kollisioner mellan tungjoner. Enligt teorin för tungjonskollisioner kan ett svalnande kvark-gluon plasma genom hadronisering leda till ett tillstånd där det finns rikligt med särkvarkar, men endast ett litet antal av deras antikvarkar. Denna situation vore speciellt gynnsam för produktion av särlingar. Enligt de s.k. "förenings-modellerna" (eng. coalescence models) kan särlingar uppstå i tungjons-växelverkningar genom att det uppstår hyperkärnor, som sedan sönderfaller till särlingar.

Vi söker efter särlingar genom att studera bly-bly kollisioner som är producerade med CERNs Super Proton Synchrotron-accelerator (SPS) [1]. Blystrålens energi är 158 GeV/nukleon och bly-bly kollisionernas massmedelpunktsenergi är 17,2 GeV/(c·u). Vårt mål är att uppnå en sensitivitet på 10¯¹° för detekteringen av särlingar med en massa inom området 5 - 40 GeV/c. Den experimentella signalen på en särling är en partikel med låg laddning och stor massa. Särlingarnas livstid bör vara större än 1,2 µs för att vi skall kunna detektera dem.

Vi har också använt NA52-apparaturen till att studera antibaryon- och baryonproduktion i bly-bly kollisioner som funktion av rapiditeten. Modellerna som beskriver tungjonskollisioner har olika förutsägelser gällande produktionen av baryoner och antibaryoner. De produktionsspektra för baryoner och antibaryoner som vi kan mäta är mycket intressanta av denna orsak. Resultaten för produktionen av antiprotoner, antideuteroner och anti³He-kärnor är publicerade [2].

Figur:NA52-detektorn

NA52-detektorn är en 524 m lång, dubbelt fokuserande och dubbelt avlänkande magnetisk spektrometer, som är byggd kring en sekundär partikeltransportlinje i CERNs norra experimentområde, se Fig. ovan. Våra viktigaste detektorer består av fem plan med mycket snabba segmenterade scintillationsräknare som mäter partiklarnas flygtider och energiförluster (TOF1-5). Med hjälp av TOF-planen kan partiklarnas massor och laddningar bestämmas, då impulsen är känd från avlänkningen i magnetfälten. För partikelidentifikation har vi numera tre tröskel- (C0-2) och en differentiell Cerenkov räknare (CEDAR). Med hjälp av sju trådkammare kan vi rekonstruera partikelspår och förkasta händelser med flera partiklar (W1-5T och W2-3S). Den inkommande blystrålens intensitet mäter vi med en Cerenkov räknare av kvarts (TOF0). Med hjälp av uranhadronkalorimetern i slutet på vår spektrometer kan vi åtskilja elektroner, myoner och hadroner samt mäta deras energier (Calorimeter).

Våra viktigaste resultat är invarianta differentiella produktionstvärsnitt för partiklar med energin E och impulsen p, som vi bestämmer ur formeln:

 Esigma   Ns   eta      1    E
 --------- = --·-------·-------·-,
   d³p       Ni epsilon n·alpha p³
där Ns = antalet observerade sekundära partiklar, Ni = antalet inkommande blyjoner, n = antalet målkärnor per enhetsarea, alpha = spektrometerns acceptans och epsilon korrigerar för absorbtionen av de infallande blyjonerna och de sekundära partiklarna i strålmålet. Denna faktor korrigerar också för absorbtionen av sekundära partiklar i spektrometern och effektiviteten för avfyrning och rekonstruktion av ett spår. Faktorn eta är en korrektion för de detekterade sekundära partiklar som inte har producerats i strålmålet.

Min huvudsakliga uppgift i NA52-experimentet är att beräkna alpha med hjälp av Monte Carlo-metoden. Acceptansen anger produkten av rymdvinkeln och bredden på impulsfördelningen Delta p/p som kan transmitteras genom vår spektrometer. Mitt viktigaste verktyg för acceptans-beräkningarna är Fortran-koden TURTLE [3]. Online programmen och analysprogrammen i NA52 är däremot skrivna på C++. Jag analyserar också NA52-datat och skriver program för detektorsimuleringen och data-analysen. Under våra mätperioder i CERN arbetar alla kollaborationsmedlemmar i skift dygnet runt för att övervaka detektorns funktion och datauppsamlingen.

Referenser

1
G. Appelquist et al. Strangelet search in Pb - Pb interactions at 158 Gev/c per nucleon
Phys. Rev. Lett. 76 1996 3907-3910 No. 21

2
G. Appelquist et al. Antinuclei Production in Pb+Pb Collisions at 158 A GeV/c
Phys. Lett. B376, 245-250, 1996.

3
K.L. Brown and Ch. Iselin DECAY TURTLE, A computer program for simulating charged particle beam transport systems, including decay calculations
CERN 74-2, 5 Feb. 1974