This is a bubble chamber picture. Bubble chambers aren't used anymore, but they produced nice pictures...Introduktion till  Experimentet
 
[överblick]  [händelser] [partikelfysik på webben]
[e-p spridning]  [fotoproduktion - djupt inelastisk spridning]
[protonens struktur] [H1 Lund] [ny fysik] [H1 i Hamburg]
[fenomenologi] [detektorutveckling]
 
Inledning
Avdelningen för elementarpartikelfysik i Lund har en grupp som är involverad i forskningen  vid H1 experimentet på DESY - Deutsche - Electron - Synchroton i Hamburg.   

HERA-anläggningen på DESY i Hamburg kan beskrivas som  världens största elektronmikroskop. I kollisioner mellan elektroner  och protoner vid extremt höga energier utnyttjas elektronen som en sond för att studera protonens inre  struktur  med  en  nogrannhet  av 10-18  meter.  Dessa studier har visat att protonen har en mycket komplex sammansättning av kvarkar och gluoner.

 
Elektron-Proton Spridning Upp  y
Spridningsprocesserna sker genom utbyte av kraftförmedlande partiklar. Vid låga energier dominerar fotonutbyte (elektromagnetisk  växelverkan)  medan  utbyte  av  Z0  och W partiklar (svag växelvrkan)  blir  viktiga  då  kollisionsenergin   
ökar. I de fall utbytet sker med fotoner eller Z0 partiklar pratar man om neutral  ström  och  eftersom  ingen  laddning  utbytes   
i  dessa processer kommer den spridda elektronen att bevara sin identitet. Vid utbyte av en W partikel sker växelverkan genom laddad ström och då kommer  elektronen  att omvandlas till en neutrinopartikel genom att  W  partikeln  för  bort  elektronens negativa laddning.  
.
 
 Foto-produktion och djupt inelastisk spridning Upp bilderr
Utbytespartikeln överför en viss bråkdel av den inkommande elektronens rörelsemängd. Om tex den av fotonen överförda rörelsemängden är liten så kan man betrakta fotonen som nästan reel och då pratar man om fotoproduktionsprocesses. Tar däremot fotonen en stor del av elektronens rörelsemängd har fotonen hög virtualitet och då kallas processerna djupt inelastisk spridning. .
 


Protonens struktur Upp  y
Eftersom spridningsprocesser med neutrala strömmar domineras av fotonutbyte kommer vi i den fortsatta diskussionen bortse från Z0 bidraget. Rörelsemängden hos fotonen avgör vilken upplösning som kan uppnås i studierna av protonens struktur. Låg rörelsemängd svarar mot lång våglängd hos fotonen och därmed låg upplösning. Hög rörelsemängd ger däremot kort våglängd och hög upplösning. Om kollisionsenergin är tillräckligt hög kommer den utbytta fotonens våglängd att vara mycket kortare än protonens utsträckning och spridningen äger rum mot någon av protonens beståndsdelar, partonerna. Kvarkarnas fördelning i protonen kan mätas i den enklaste formen av spridningsprocess som är en rent elektromagnetisk process där elektronen och kvarken kommer att spridas i vissa vinklar beroende på vilka rörelsemängder utbytesfotonen och kvarken bär på. Rörelsemängdsfördelningen hos kvarkarna, vilken kallas protonens strukturfunktion, kan då bestämmas. Stora objekt i det här sammanhanget svara mot kvarkar som bär på en stor andel av protonens rörelsemängd medan kvarkar som tar liten bråkdel av den totala rörelsemängden betraktas som små objekt.  
 Energin vid HERA tillåter att mäta kvarkarnas rörelsemängdsfördelning ner till värden vid vilka kvarkarna bär på så lite som en hundratusendel av protonens totala impuls. Detta är en väsentlig utvidgning av det kinematiska området inom vilket partonernas dynamik tidigare har kunnat studeras. Man hoppas då kunna få svar på flera fundamentala  frågor om materiens uppbyggnad. Hur ser impulsfördelningen av partonerna ut när man studerar protonen med denna höga  
upplösning? Hur många partoner ryms i protonen? Kan man se någon understruktur hos partonerna? Kommer vi att upptäcka nya typer av partiklar?  
  
De senaste resultaten från HERA visar att antalet partoner som bär på en viss bråkdel av protonens impuls ökar kraftigt när bråkdelsimpulsen minskar. Ökningen kan naturligtvis inte fortgå eftersom den så småningom skulle leda till ofysikaliska resultat så tillvida att summan av partonernas impulsbidrag plötsligt skulle komma att överstiga protonens impuls. Vad som förväntas hända är att partontätheten blir så hög att partonerna inte längre rör sig som fria partiklar innanför protonen utan börjar växelverka och annihilera. De senaste resultaten från H1 visar indikationer på en mindre kraftig ökning vid de allra lägsta bråkdelsimpulserna som kunnat mätas hittills. Genom en uppgradering av H1 detektorn och genom att skifta kollisionspunkten i protonens riktning kommer ännu lägre bråkdesimpulser att kunna studeras. 
..



 
 Lund-gruppens forskning Upp  ee
Lundagruppen  är  huvudsakligen involverade i forskning kring fysik med  partikelskurar  i  djupt inelastiska spridningsprocesser. Denna analys ger en  bra  test  av QCD. Den är basen för studier av fundamentala  fysikaliska frågor som  bestämningen  av  den starka kopplingskonstanten   - s, bestämningen  av  protonens gluondensitet, samt studier av den diffraktiva  processens   ursprung.
 

 
Ny Fysik Upp  r
Nyligen har spridningprocesser där den utbytta fotonen bär på en  mycket  hög  impuls observerats vid HERA i en omfattning som inte stämmer med de förutsägelser som teorin ger. Antalet händelser som  registrerats är  ännu inte tillräckligt stort för att man skall kunna göra någon säker bestämning av deras ursprung och möjligheten  finns att det  är en  statistisk  fluktuation. Sannolikheten för  detta  har emellertid  beräknats vara mindre än 1% och  dessutom har det  överskott av sådana spridningsprocesser observerats av båda HERAexperimenten oberoende.  Nya  data  som  håller på att samlas  in  kommer  i slutet av 1997att visa om signalen är äkta och om så är fallet innebär det  tecken på  ny fysik som  inte  beskrivs  av vår nuvarande teori.  Det  överskjutande  bidraget kan då förklaras av produktion av nya  typer  av  partiklar  som tex  behövs för föreningen av den elektrosvaga  och  starka  kraften eller av att kvarkarna har en inre struktur. 
 

 

 
Fenomenologi Upp  r
Inom elementarpartikelfysiken är det nödvändigt att använda så kallade Monte Carlo (MC) generatorer dvs. slumptalsgeneratorer, som kopplas ihop med existerande teoretiska modeller och med vars hjälp 'händelser' i olika kollisionsprocesser kan simuleras. Under planeringsstadiet av ett experiment används MC-generatorerna för att optimera detektorns utformning så att signalerna från de intressanta fysikaliska processerna skall kunna mätas med så stor noggrannhet som möjligt. Under analysskedet utnyttjas MC-generatorerna för jämförelser mellan data och olika teoretiska modeller, vilket kan leda till vidareutveckling av teorin.  

Inom Lund-gruppen har Monte Carlo-programmet RAPGAP utvecklats. Programmet är  uppbyggt för att kunna simulera olika processer som förekommer i elektron-protonspridning. Programmet uppdateras kontimuerligt genom att nya teoretiska ansatser byggs in. Just nu försöker vi implementera teorin för den partondynamik som förväntas spela en viktig roll i en situation där de växelverkande partonerna bär på en ytterst liten del av protonens rörelsemängd.  

Två exempel på processer, som Lund-gruppen har studerat och som kan genereras med RAPGAP är diffraktiv spridning och jet-produktion. I diffraktiva processer sprides elektronen mot ett ofärgat objekt (pomeronen) inuti protonen. Olika antaganden om sannolikheten att spridningen sker mot en pomeron kan jämföras med experimentellt mätbara fördelningar för att se vilken model som ger bäst överensstämmelse. På samma sätt kan olika modeller för partontätheten i pomeronen testas mot experimentellt tillgängliga fördelningar. RAPGAP-generatorn har genom sådana studier bidragit till en fördjupad förståelse för den underliggande processen i diffraktiv spridning samt för pomeronens partonsammansättning.  

Jetproduktion i djupt inelastisk spridning har antagits ske i direkt växelverkan mellan den virtuella utbytesfotonen och protonens beståndsdelar. Jämförelser mellan RAPGAP-generatorns förutsägelser och nya resultat från H1-experimentet  antyder att processer där fotonen växelverkar via dess partoninnehåll kan spela en roll i jetproduktionen. I sådana processer spricker fotonen upp i ett kvark-antikvarpar där endera av kvarken eller antikvarken växelverkar genom gluonutbyte med någon av protonens partoner.   
  
  
 

.
 


 
 detektorutveckling Upp  r
Muonspektrometern  
H1 detektorn innehåller en speciell muonspektrometer för att mäta högenergetiska muoner som emitteras i de kolliderande protonernas riktning. Den består av sex dubbla lager av stora spårkammare (driftkammare), tre före och tre efter en toriodmagnet. Spårkammrarna och deras utläsningssystem har byggts av  Lund-gruppen tillsammans med en grupp från Universitetet iManchester. Av geometriska skäl är varje lager uppdelat i oktanter i azimutalled. Detektorerna har orienterats så att fyra lager mäter avståndet från strålaxeln, dvs den polära vinkeln, medan de övriga två mäter azimutalvinkeln. Totala antalet mätceller är 1520. Lägesupplösningen i varje mätpunkt är bättre än 200 mm, vilket med ett magnetfält på 1.5 Tesla i toroidmagneten svara mot en noggrannhet i mätningen av muonernas rörelsemängd på 24% för 5 GeV muoner och 36% för 200 GeV muoner.  

Märkning av muoner  
Lund-gruppen har i samarbete med engleska grupper utvecklat elektronik som ur informationen från muonspektrometerns driftkammare skall välja ut och märka partikelspår (muonkandidater) som pekar mot kollisionspunkten för elektronerna och protonerna. Därvid måste hänsyn tas till multippelspridning i allt material före muonspektrometern som partiklarna måste penetrera. Dessutom måste spåren korreleras med en bestämd kollision, vilket gör att tidsupplösningen måste vara bättre än 96 nanosekunder som är tiden mellan ep-kollisionerna. De partiklar som registreras i muondetektorerna har inte alla sitt ursprung i elektron-protonkollisioner. De allra flesta härör från växelverkan mellan protonstrålen och restgasen i strålröret eller strålröret själv, men även synkrotronstrålning från elektronstrålen ger upphov till signaler i muondetektorerna.   

Strålningsmonitor  
Närmast kollisionspunkten i H1 detektorn finns en kiseldetektor som bestämmer koordinaterna för de elektriskt laddade partiklarnas banor med mycket stor precision. Kiseldetektorns prestanda kan drastiskt försämras om den utsättes för stora stråldoser. För att förhindra att så sker har Lund-gruppen utvecklat ett komplett strålningsmoniteringssystem som ger information om strålnivån alldeles intill kollisionspunkten. Systemet består av fotodioder som är monterade på små förförstärkarkort. Tolv sådana diodkort är fördelade kring detektorn. Utläsningssystemet producerar ett pulståg som är proportionellt mot strålningsnivån och kan handskas med räknehastigheter upp till 300 kHz per diod.  Spektra över räknehastigheten är kontinuerligt uppdaterade och visas på en MacIntosh skärm. Flera parametrar, som tex villkoren för att ett alarm skall utlösas, kan ändras med hjälp av mjukvaran till systemet. Ett FADC-system möjliggör pulsanalys så att tröskelvärden kan optimeras.  
Räknehastigheter och alarmsignaler överföres till både experimentets skiftmanskap och maskinens operatörer. Om strålningsnivån överstiger det tillåtna måste i första hand maskinens operatörer justera strålarna och om detta inte går dödas strålarna och nya strålar måste injiceras.  
 
 
 

.
 


  •