تجربة UA2

أُجريت تجربة UA2 على عمق 50 مترًا تقريبًا تحت الأرض، في حلقة مُسرِّع الجسيمات SPS / Sp p S ، داخل كهف كبير. كان الكهف واسعًا بما يكفي لاستيعاب الكاشف، وتوفير مساحة لتجميعه في وضعية تخزين مؤقتة دون إيقاف المُسرِّع، وإلى حيث يُعاد إليه بعد فترات جمع البيانات. وبذلك، كان بإمكان المُسرِّع العودة إلى وضعية التشغيل ذات الهدف الثابت، بعد فترات من العمل كمصادم. ^{[ 1 ]}

تشترك تجربتا UA1 و UA2 في العديد من الجوانب؛ فقد عملتا على نفس المُسرِّع، وكان لهما نفس الهدف (اكتشاف بوزونات W وZ ). ويكمن الاختلاف الرئيسي في تصميم الكاشف؛ إذ كان UA1 كاشفًا متعدد الأغراض ، بينما كان نطاق UA2 محدودًا. ^{[ 1 ]} وقد صُمِّم UA2 خصيصًا لكشف الإلكترونات الناتجة عن اضمحلالات W وZ. وانصبّ التركيز على مقياس حراري عالي الدقة - وهو كاشف يقيس كمية الطاقة التي تُودِعها الجسيمات - ذي هندسة إسقاطية كروية، والذي كان مُلائمًا أيضًا لكشف النفاثات الهادرونية . ^{[ 3 ]} وتم تتبع الجسيمات المشحونة في الكاشف المركزي باستخدام مزيج من غرف تناسبية متعددة الأسلاك وغرف انجراف ومقاييس سرعة الجسيمات . ^{[ 8 ]} وأُجريت قياسات الطاقة في المقاييس الحرارية. وعلى عكس UA1، لم يكن لدى UA2 كاشف للميونات .

كان المسعر يتألف من 24 شريحة، تزن كل منها 4 أطنان. ^{[ 9 ]} رُتبت هذه الشرائح حول نقطة التصادم على شكل فصوص برتقالة. أنتجت الجسيمات المنبعثة من التصادم وابلًا من الجسيمات الثانوية في طبقات المادة الثقيلة. مرت هذه الوابل عبر طبقات من الوميضات البلاستيكية، مولدةً ضوءًا قُرئ بواسطة مضاعف ضوئي بواسطة إلكترونيات جمع البيانات. كانت كمية الضوء متناسبة مع طاقة الجسيم الأصلي. سمحت المعايرة الدقيقة للمسعر المركزي بقياس كتلتي W وZ بدقة تصل إلى حوالي 1%. ^{[ 10 ]}

استهدف تحديث الكاشف بين عامي 1985 و1987 جانبين رئيسيين: التغطية الكاملة للمسعر، وتحسين تحديد الإلكترونات عند الزخم العرضي المنخفض. ^{[ 11 ]} تمت معالجة الجانب الأول باستبدال الأغطية الطرفية بمسعرات جديدة تغطي المناطق من 6° إلى 40° بالنسبة لاتجاه الحزمة، مما أدى إلى إحكام إغلاق الكاشف. تكونت مسعرات الأغطية الطرفية من عينات رصاص/ مادة وميضية للجزء الكهرومغناطيسي، وحديد/مادة وميضية للجزء الهادروني. ^{[ 11 ]} تم ضبط أداء ودقة المسعرات الجديدة لتتوافق مع المسعر المركزي، وهو أمر بالغ الأهمية لنظام التشغيل.

تم تحسين تحديد الإلكترونات باستخدام مجموعة كاشف تتبع مركزية جديدة كليًا، تتألف جزئيًا من كاشف رائد ذي وسادة سيليكونية. في عام ١٩٨٩، طوّر الفريق هذا المفهوم بشكل أكبر من خلال تطوير كاشف وسادة سيليكونية (SPD) بتقسيم أدق للوسادة، ليتم وضعه مباشرة حول أنبوب شعاع منطقة التصادم. ^{[ ١٢ ]} صُمم هذا الكاشف على شكل أسطوانة تُحيط بأنبوب الشعاع بإحكام. كان لا بد من أن يتناسب الكاشف مع المساحة المتاحة التي تقل عن ١  سم. لذلك، كان من الضروري تصغير مكونات الكاشف. وقد تحقق ذلك باستخدام تقنيتين جديدتين تمامًا: مستشعر السيليكون والدائرة المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASIC). كانت الإلكترونيات الموجودة ضخمة جدًا، ولذلك كان لا بد من تطوير دائرة متكاملة خاصة بالتطبيقات جديدة. كان هذا أول متتبع سيليكوني مُكيّف لتجربة مصادم، وهي تقنية سبقت كواشف السيليكون الحالية. ^{[ ١٢ ]}

كانت أولى نتائج تعاون UA2، التي نُشرت في 2 ديسمبر 1982، أول رصدٍ واضحٍ لإنتاج النفاثات الهادرونية عند زخمٍ عرضيٍّ عالٍ من تصادمات الهادرونات. ^{[ 13 ]} وقد أكدت رصدات النفاثات الهادرونية أن نظرية الديناميكا اللونية الكمومية قادرة على وصف السمات العامة للتفاعل القوي بين البارتونات . ^{[ 11 ]}

اختارت مجموعة UA2 وUA1 البحث عن بوزون W من خلال تحديد اضمحلاله الليبتوني ، لأن الاضمحلالات الهادرونية ، على الرغم من كونها أكثر تواتراً، إلا أنها تُنتج خلفية أكبر. ^{[ 3 ]} وبحلول نهاية عام 1982، وصل مصادم Sp p S إلى مستوى إضاءة عالٍ بما يكفي للسماح برصد${\displaystyle W\rightarrow e\nu }$و${\displaystyle W\rightarrow \mu \nu }$يتحلل. في 22 يناير 1983، أعلن فريق UA2 أن كاشف UA2 قد سجل أربعة أحداث مرشحة لوجود بوزون W. وبذلك ارتفع العدد الإجمالي للأحداث المرشحة التي رصدها كل من UA1 وUA2 إلى 10 أحداث. وبعد ثلاثة أيام، أصدر مركز CERN إعلانًا رسميًا باكتشاف بوزون W. ^{[ 14 ]}

كانت الخطوة التالية هي البحث عن بوزون Z. إلا أن النظرية أشارت إلى أن بوزون Z سيكون أندر بعشر مرات من بوزون W. ولذلك، تطلبت التجارب جمع بيانات أكثر بكثير من تلك التي جُمعت في تجربة عام 1982 التي أثبتت وجود بوزون W. وبفضل التقنيات والأساليب المُحسّنة، زادت شدة الإشعاع بشكل ملحوظ. ^{[ 15 ]} وقد تكللت هذه الجهود بالنجاح، وفي الأول من يونيو عام 1983، أُعلن رسميًا عن اكتشاف بوزون Z في مركز سيرن. ^{[ 16 ]}

خلال التجارب التي أُجريت باستخدام الكاشف المُطوَّر، تنافس فريق UA2 مع تجارب مختبر فيرميلاب في الولايات المتحدة في البحث عن الكوارك العلوي . وكان الفيزيائيون يتوقعون وجوده منذ عام 1977، عندما اكتُشف نظيره - الكوارك السفلي . وكان يُعتقد أن اكتشاف الكوارك العلوي بات وشيكًا.

خلال الفترة من 1987 إلى 1990، جمعت المركبة الفضائية UA2 ما مجموعه 2065${\displaystyle W\rightarrow e\nu }$تتحلل جسيمات W و251 Z إلى أزواج إلكترونية، ومن ثم يمكن قياس نسبة كتلة بوزون W إلى كتلة بوزون Z بدقة تصل إلى 0.5%. ^{[ 3 ]} وبحلول عام 1991، أصبح قياس دقيق لكتلة بوزون Z متاحًا بفضل مصادم الإلكترونات والبوزيترونات الكبير (LEP). وباستخدام نسبة كتلة W إلى كتلة Z، أمكن إجراء أول قياس دقيق لكتلة W. ويمكن استخدام قيم الكتلة هذه للتنبؤ بكتلة الكوارك العلوي من خلال تأثيره الظاهري على كتلة W. وقد أعطت نتائج هذه الدراسة قيمة لكتلة الكوارك العلوي في نطاق يتراوح بين 110 و220 جيجا إلكترون فولت، ^{[ 3 ]} وهو نطاق يصعب رصده مباشرةً بواسطة مصادم UA2 في مصادم Sp p S. وفي النهاية، اكتُشف الكوارك العلوي عام 1995 على يد فيزيائيين في مختبر فيرمي الوطني بكتلة تقارب 175 جيجا إلكترون فولت. ^{[ 17 ] [ 18 ]}