تجربة CPLEAR

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة
منطقة تجريبية لحلقة البروتون المضاد منخفضة الطاقة.

استخدمت تجربة CPLEAR حزمة البروتونات المضادة لمرفق LEAR - حلقة البروتونات المضادة منخفضة الطاقة التي عملت في CERN من عام 1982 إلى عام 1996 - لإنتاج الكاونات المحايدة من خلال إفناء البروتون - البروتون المضاد من أجل دراسة انتهاك تناظر CP و T و CPT في نظام الكاونات المحايدة. [ 1 ]

خلفية

وفقًا لنظرية الانفجار العظيم ، كان من المفترض أن توجد المادة والمادة المضادة بنفس الكمية في بداية الكون. لو صحّ ذلك، لكانت الجسيمات ومضاداتها قد أفنتها ، مُنتجةً الفوتونات ، وبالتالي لكان الكون مُكوّنًا من الضوء فقط ( جسيم واحد من المادة لكل 10 ^18 فوتون ). مع ذلك، لم يبقَ سوى المادة ، وبمعدل يفوق المتوقع بمليار ضعف. فما الذي حدث إذًا لتختفي المادة المضادة لصالح المادة؟ أحد الإجابات المُحتملة لهذا السؤال هو تكوين الباريونات ، وهي عملية فيزيائية افتراضية حدثت خلال بدايات الكون، وأدت إلى عدم تناظر الباريونات، أي عدم توازن المادة (الباريونات) والمادة المضادة (مضادات الباريونات) في الكون المرصود. مع ذلك، لا يُمكن حدوث تكوين الباريونات إلا في ظل الشروط التالية التي اقترحها أندريه ساخاروف عام 1967:

أُجري أول اختبار تجريبي لانتهاك تناظر الشحنة الزوجية (CP) عام 1964 مع تجربة فيتش-كرونين . تضمنت التجربة جسيمات تُسمى ميزونات K المحايدة ، والتي تمتلك، لحسن الحظ، الخصائص اللازمة لاختبار تناظر الشحنة الزوجية. أولًا، بصفتها ميزونات، فهي عبارة عن مزيج من كوارك وكوارك مضاد، في هذه الحالة، كوارك سفلي وكوارك مضاد غريب ، أو كوارك مضاد سفلي وكوارك غريب . ثانيًا، يمتلك الجسيمان قيم تناظر شحنة زوجية مختلفة وأنماط اضمحلال مختلفة : K1 له تناظر شحنة زوجية +1 ويتحلل إلى بيونين ؛ وK2 له تناظر شحنة زوجية -1 ويتحلل إلى ثلاثة بيونات. نظرًا لأن الاضمحلالات ذات التغيرات الكبيرة في الكتلة تحدث بسهولة أكبر، فإن اضمحلال K1 يحدث أسرع بمئة مرة من اضمحلال K2 . هذا يعني أن حزمة طويلة بما فيه الكفاية من الكاونات المحايدة ستتحول إلى K2 نقي تمامًا بعد فترة زمنية كافية. تستغل تجربة فيتش-كرونين هذه الخاصية. إذا سُمح لجميع الكاونات K1 بالتحلل من حزمة من الكاونات المختلطة، فمن المفترض أن تُلاحظ فقط تحللات K2. في حال رُصدت أي تحللات K1 ، فهذا يعني أن K2 انقلب إلى K1 ، وانقلب تناظر الشحنة الزوجية (CP) للجسيمات من -1 إلى +1، ولم يُحفظ هذا التناظر. أسفرت التجربة عن فائض قدره 45±9 حدثًا حول cos(θ) = 1 ضمن نطاق الكتلة الصحيح لتحللات البايونين. هذا يعني أنه مقابل كل تحلل لـ K2 إلى ثلاثة بايونات، هناك (2.0±0.4)×10⁻³ تحلل إلى بايونين. ولهذا السبب، تُخالف ميزونات K المتعادلة تناظر الشحنة الزوجية (CP). [ 2 ] لذا، تُعد دراسة نسبة إنتاج الكاونات المتعادلة والكاونات المضادة المتعادلة أداة فعالة لفهم ما حدث في الكون المبكر الذي عزز إنتاج المادة. [ 3 ]

التجربة

مشروع CPLEAR هو تعاون يضم حوالي 100 عالم من 17 مؤسسة في 9 دول مختلفة. قُبل المشروع عام 1985، وجمع بيانات من عام 1990 حتى عام 1996. [ 1 ] وكان هدفه الرئيسي دراسة تناظرات CP و T و CPT في نظام الكاون المحايد.

بالإضافة إلى ذلك، أجرى CPLEAR قياسات حول التماسك الكمي للدالة الموجية s ، وارتباطات بوز-أينشتاين في حالات متعددة البيون ، وتجديد مكون الكاون قصير العمر في المادة، ومفارقة أينشتاين-روزن-بودولسكي باستخدام حالات أزواج الكاون المحايدة المتشابكة، ومبدأ التكافؤ في النسبية العامة . [ 4 ]

وصف المنشأة

مخطط لجهاز الكشف CPLEAR.

تمكن كاشف CPLEAR من تحديد مواقع وزخم وشحنات المسارات عند إنتاج الكاون المحايد وعند اضمحلاله، وبالتالي تصوير الحدث الكامل.

لا يتم الحفاظ على الغرابة في ظل التفاعلات الضعيفة، مما يعني أنه في ظل التفاعلات الضعيفة يكون K 0يمكن أن يتحول إلى K 0والعكس صحيح. لدراسة أوجه عدم التناظر بين K 0و K 0باستخدام معدلات الاضمحلال في الحالات النهائية المختلفة f (حيث f = π + π − ، π 0 π 0 ، π + π − π 0 ، π 0 π 0 π + ، π l ν)، استغل فريق CPLEAR حقيقة أن غرابة الكاونات تُحدد بشحنة الكاون المصاحب لها. ويعني ثبات الانعكاس الزمني إمكانية استنتاج جميع تفاصيل أحد التحولات من الآخر، أي أن احتمال تذبذب الكاون إلى كاون مضاد يساوي احتمال العملية العكسية. ويتطلب قياس هذه الاحتمالات معرفة غرابة الكاون في مرحلتين مختلفتين من حياته. بما أن غرابة الكاون تُحدد بشحنة الكاون المصاحب له، وبالتالي يمكن معرفتها لكل حدث ، فقد لوحظ أن هذا التناظر لم يُحترم، مما يثبت انتهاك التناظر T في أنظمة الكاون المتعادلة في ظل التفاعل الضعيف. [ 3 ]

يتم إنتاج الكاونات المحايدة مبدئيًا في قنوات الإفناء

  • p p → π + K −K 0
  • p p → π − K +K 0[ 3 ]

يحدث هذا عندما يتم إيقاف حزمة من 10⁶ بروتون مضاد في الثانية، قادمة من منشأة LEAR، بواسطة هدف من غاز الهيدروجين عالي الضغط. سمح الزخم المنخفض للبروتونات المضادة والضغط العالي بالحفاظ على صغر حجم منطقة الإيقاف في الكاشف . [ 5 ] بما أن تفاعل البروتون-البروتون المضاد يحدث في حالة سكون، فإن الجسيمات تُنتج بشكل متناحٍ ، ونتيجة لذلك، يجب أن يتمتع الكاشف بتناظر قريب من 4π. تم تضمين الكاشف بأكمله في مغناطيس لولبي دافئ بطول 3.6 متر وقطر 2 متر، يوفر مجالًا مغناطيسيًا منتظمًا بقوة 0.44 تسلا . [ 3 ]   

تم إيقاف البروتونات المضادة باستخدام هدف من غاز الهيدروجين المضغوط. استُخدم هدف من غاز الهيدروجين بدلاً من الهيدروجين السائل لتقليل كمية المادة في حجم الاضمحلال. كان نصف قطر الهدف في البداية 7  سم، وتعرض لضغط 16 بار. وفي عام 1994، تم تغيير نصف قطره ليصبح 1.1  سم، تحت ضغط 27 بار. [ 3 ]

تصميم الكاشف

كاشف CPLEAR

كان على جهاز الكشف أن يفي بالمتطلبات المحددة للتجربة، وبالتالي كان عليه أن يكون قادراً على:

  • قم بتحديد الكاون بكفاءة
  • اختر قنوات الإفناء المذكورة في وصف المنشأة من بين العدد الكبير جدًا من قنوات إفناء البيونات المتعددة
  • التمييز بين قنوات اضمحلال الكاون المحايد المختلفة
  • قياس زمن الاضمحلال الخاص
  • الحصول على عدد كبير من الإحصائيات، ولذلك كان لا بد من أن يتمتع بقدرة عالية على المعدل وتغطية هندسية كبيرة [ 3 ].

استُخدمت كواشف تتبع أسطوانية مع مجال لولبي لتحديد إشارات الشحنة، وزخم الجسيمات المشحونة، ومواقعها. تلاها كاشف تحديد الجسيمات (PID) الذي يتمثل دوره في تحديد الكاون المشحون. وقد دُمج هذا الكاشف بكاشف تشيرينكوف ، الذي قام بفصل الكاون عن البيون؛ ومُضَخِّمات لقياس فقد الطاقة وزمن طيران الجسيمات المشحونة. كما استُخدم أيضًا لفصل الإلكترون عن البيون. أُجريَ الكشف عن الفوتونات الناتجة عن اضمحلالات π⁰ بواسطة ECAL، وهو مقياس حراري خارجي لأخذ عينات من الرصاص/الغاز، يُكمِّل كاشف تحديد الجسيمات (PID) من خلال فصل البيونات والإلكترونات عند الزخم العالي. أخيرًا، استُخدمت معالجات سلكية (HWK) لتحليل الأحداث واختيارها في غضون بضعة ميكروثوانٍ، وحذف الأحداث غير المرغوب فيها، من خلال توفير إعادة بناء كاملة للحدث بدقة كافية. [ 3 ]

مراجع

  1. ١ ٢ "مرحبًا بكم في تجربة CPLEAR" . تجربة CPLEAR . توماس روف . تم الاسترجاع في ٩ يوليو ٢٠١٨. مقدمة عامة للتجربة
  2. ↑ كولمان، ستيوارت. "تجربة فيتش-كرونين" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 27 يونيو 2019 .
  3. 1 2 3 4 5 6 7 جاباثولر، إي.؛ بافلوبولوس، ب. (2004). "تجربة CPLEAR". تقارير الفيزياء . 403-404 : 303-321 . Bibcode : 2004PhR...403..303G . doi : 10.1016/j.physrep.2004.08.020 .
  4. ↑ أنجيلوبولوس، أ. (2003). الفيزياء في مركز CPLEAR. تقارير الفيزياء (تقرير). المجلد 374. الرقم الدولي الموحد للدوريات 0370-1573 .  
  5. ↑ أنجيلوبولوس، أ.؛ أبوستولاكيس، أ.؛ أسلانيدس، إ. (2003). "الفيزياء في مركز CPLEAR". تقارير الفيزياء . 374 (3): 165-270 . Bibcode : 2003PhR...374..165A . doi : 10.1016/S0370-1573(02)00367-8 . ISSN 0370-1573 .