I följande avsnitt presenteras teori som kan komma till användning i laboratio-nen.
B.1.1 Invariant massa
Enligt Einsteins relativitetsteori, kan massa ses som detsamma som energi enligt E = mc2
där E är energi, m är massa och c är ljusets hastighet. Detta medför att vid kollisioner av höga energier kan det produceras nya partiklar som är tyngre än de två partiklar som kolliderar.
En partikels invarianta massan är densamma som den massa partikeln har då den befinner sig i vila, det vill säga den massa den har i sitt eget referenssystem. Den invarianta massan, eller vilomassan som den också kallas, kan beräknas enligt m2= E c2 2 −p c 2
där E är partikelns energi, c är ljusets hastighet och p är partikelns rörel-semängd. Den invarianta massan är oberoende av från vilket referenssystem partikeln betraktas [4, 29].
B.1.2 Elektronvolt [eV]
Inom partikelfysik är SI-enheten Joule för energi inte så praktisk då det är väldigt små energier som mäts. Istället använder man sig av en annan enhet för energi, nämligen elektronvolt, som betecknas eV. 1 eV är den energi som krävs för att flytta en elektron över en potentialskillnad på 1V [4] och har värdet
1eV = 1, 602 · 10−19J B.1.3 Z0-bosonen
Z0-bosonen, W+-bosonen och W−-bosonen är de tre kraftbärarna av den svaga kraften, som är en av de fyra fundamentalkrafterna som partiklar i naturen interagerar med [4]. Eftersom Z0-bosonen har en väldigt kort livstid på ungefär 10−25 s kan man inte detektera den, utan studerar istället dess sönderfall i detektorn [30, 31].
Sönderfall av Z0-bosonen
Z0-bosonen är neutral och har en massa på ungefär 91 GeV [8], vilket medför att om Z0-bosonen sönderfaller till två partiklar måste dessa vara en partikel och dess antipartikel (det vill säga en partikel med samma massa men med motsatt laddning), eftersom den totala laddningen måste bevaras, en bevarandelag som gäller alla interaktioner i naturen [16]. Z0-bosonen kan sönderfalla till ett laddat lepton-antilepton-par:
Z0−→ e−+ e+ Z0−→ µ−+ µ+ Z0−→ τ−+ τ+
där e, µ och τ är de tre olika leptonerna; elektron, muon respektive tauon [6]. Z0-bosonen kan även sönderfalla till de tre laddade leptonernas tillhörande neutrino och antineutrino enligt
Z0−→ νe+ ¯νe
Z0−→ νµ+ ¯νµ Z0−→ ντ+ ¯ντ
där ν och ¯ν är neutrino respektive antineutrino (neutrinos är neutrala, det vill säga de har ingen elektrisk laddning) [4, 6].
Z0-bosonen kan också sönderfalla till hadroner, som visar sig som ”jets” i detektorn [6, 28].
B.1.4 ATLAS-experimentet
ATLAS-experimentet är ett av de fyra stora experimenten i LHC (Large Hadron Collider) [2], som är världens största partikelaccelerator som finns på partikel-fysiklaboratoriumet CERN utanför Genéve [17]. I LHC accelereras partiklar till hastigheter nära ljuset med hjälp av supraledande magneter i en underjordisk ring med en diameter på 27 km. Här undersöks materiens minsta beståndsdelar för att bland annat förstå hur universum är uppbyggt och hur partiklar påverkar varandra [18].
ATLAS är den detektorn med den största volymen, en cylinder med läng-den 46 meter och diametern 25 meter. I detektorn undersöks kollisioner mellan protoner som färdas i 99.999999% av ljusets hastighet. Detektorn är uppbyggd av flera lager av olika detektorer för att identifiera de olika partiklarna som skapas i kollisionen [19] bland annat Innerdetektorn som mäter laddade par-tiklar, Elektronkalorimetern som mäter energierna hos fotoner och elektroner, Hadronkalorimetern som mäter energier hos hadroner och Myonspektrometern
som detekterar myoner [19], se Fig 11. Övriga komponenter i ATLAS-detektorn är bland annat ett magnetsystem, som böjer strålen av partiklar så att deras rörelsemängd kan mätas, och triggersystemet som endast väljer ut och lagrar de partikelkollisioner som innehåller intressant data. ATLAS-detektorn är designad för att observera upp till en miljard proton-proton kollisioner per sekund, vilket leder till stora mängder data varför triggersystemet är nödvändigt [19, 23].
Figur 11: Figur över ATLAS-detektorn, som mäter 46 meter i längd och 25 meter i höjd. Utmärkt i figuren finns innerdetektorn, kalorimetrar och myon-spektrometern. ATLAS Experiment c 2016 CERN
B.2 HYPATIA
För att studera sönderfallen i ATLAS-experimentet kan man använda sig av da-torprogrammet HYPATIA. Detektorn i programmet är uppbyggd på samma sätt som detektorn i ATLAS, med innerdetektorn, kalorimetrar och myonspektorme-ter. De olika delarna av detektorn detekterar olika partiklar [32].
Elektroner och fotoner lämnar sin energi i den elektromagnetiska kalorime-tern, där elektronerna även lämnar ett spår i innerdetektorn medan fotonerna inte gör det, se Fig. 12 och 13.
Protoner, neutroner och andra hadroner lämnar sin energi i hadronkalori-metern, där protoner lämnar spår i innerdetektorn medan neutronerna inte gör det.
Myoner lämnar spår hela vägen till myonspektrometern.
”Jets” är skurar av huvudsakligen hadroner som exempelvis skurar av neu-troner, protoner eller andra hadroner. Dessa lämnar flera spår detektorn och lämnar energi i hadronkalorimetern.
Neutrionos går genom hela detektorn utan att lämna något spår men kan identifieras från förlorad energi i kollisionen (ETMis) [20, 32].
Tauoner sönderfaller innan de kan identifieras i detektorn och kan därför vara svåra att detektera i datan. De sönderfaller till upp till tre laddade partiklar och
ett antal neutrinos (som inte kan detekteras). Tauoner kan visa sig som ”jets” i detektorn och kan därför lätt blandas ihop med hadroner. Man kan skilja tausönderfall från hadroner genom att studera antalet partiklar och den förlo-rade energin i sönderfallet. I sönderfallet av tauonen kommer det vara en stor del förlorad energi på grund av de neutrinos som produceras och de ”jets” som visas i sönderfallet kommer bestå av färre partiklar än de ”jets” som kommer från hadroner [33].
Figur 12: Figur över de olika lagren i detektorn, från innerdetektorn till myon-spektrometern, och hur de olika partiklarna visualiseras.
För att lära dig grunderna i programmet och lära dig känna till olika sönder-fall, klicka dig in på http://atlas.physicsmasterclasses.org/en/index. htm och klicka dig sedan vidare till Z-path > Identifying particles > Visuli-zation with HYPATIA. Titta igenom bilderna med förklaringar och gå sedan vidare genom att klicka in på Particle footprint visualization och avsluta sedan med Practice!.