Gruppen for eksperimentell elementærpartikkelfysikk (EPF)

3.etg - Fysikkbygningens østfløy, Blindern

Leder : Professor Steinar Stapnes, rom Ø381

Web side med mail-addresser og tlf. nr : http://www.fys.uio.no/epf

Tall om studenter og ansatte (for 1996) :

Professorer	5	Professor II	1
Hovedfagsstudenter	7	Uteksaminerte hovedfag	9
Dr.gradsstudenter	5	Disputert	1
Stipendiater	4	Avdelingsingeniører	2

Gruppens faglige profil.

Eksperimentell elementærpartikkelfysikk omfatter det eksperimentelle studium av naturens minste byggesteiner og, like viktig, av kreftene som virker mellom dem.

Skissen viser hvordan naturen bygges opp av mindre, mer fundamentale partikler.

Den såkalte standardmodellen beskriver godt de aller fleste eksperimentelle resultater innen partikkelfysikk, men det er mange grunner til at mange innen fagfeltet tror det finnes fysikk utover standardmodellen. Standardmodellen er en kvantefelt-teori der byggesteinene er kvarker og leptoner organisert i tre generasjoner.

Teorien bygger på endel fundamentale symmetrier i naturen, som lokal gaugeinvarians, Lorentz invarians og også CPT (ladningskonjugasjon paritet tidsreversjon) -invarians. De grunnleggende kreftene i naturen er tyngdekraften, de elektrosvake krefter og fargekreftene (de såkalte sterke kreftene som studeres i kjernefysikk er krefter som er avledet av fargekreftene på liknende måte som van der Waals krefter og kjemiske bindingskrefter er avledet av den elektromagnetiske vekselvirkning). I tillegg inneholder standardmodellen feltpartiklene som kvarkene og leptonene utveksler når de vekselvirker. Disse er fotonet (for den elektromagnetiske komponent av de elektrosvake krefter), vektorbosonene W⁺, W^- og Z^o (for den svake komponenten) og åtte gluoner (for fargekraften). Dessuten finnes det i modellen et boson som er innført for å kunne forklare at vektorbosonene og byggesteinene har masse (Higgs-bosonet). Ved å innføre et skalar-felt i vakuum som kobler til partiklene i standardmodellen, kan masse innføres via den såkalte Higgs-mekanismen.

Dagens eksperimentelle partikkelfysikk er i stor grad dominert av målinger av parametre i standardmodellen, søk etter manglende objekter og mekanismer i standardmodellen (Higgs-mekanismen, CP-brudd, langlivede bundne gluontilstander (glueballs)) og søk etter fysikk utover standardmodellen (supersymmetriske partikler, sammensatte kvarker og leptoner, sammensatte vektorbosoner, nye tunge leptoner osv). Ved grundige målinger undersøker man selve fundamentet for dagens kvantefelt-teorier, nemlig symmetriene som underligger dem og de felt som inngår i dem. Dagens virksomhet innen partikkelfysikk tar også opp grunnleggende spørsmål om universets opprinnelse, ekspansjon, materie/antimaterie innhold og massetetthet idet man undersøker de kreftene og feltene som inngikk i det tidlige univers da energitettheten var mye høyere.

Hovedtyngden av gruppens aktivitet foregår i forbindelse med internasjonale prosjekter ved CERN (det europeiske senteret for forskning i høyenergifysikk ved Genève). Akseleratorkompleksene ved CERN og det omfattende internasjonale forskningsmiljøet utgjør en spennende atmosfære for både studenter og ansatte ved Fysisk Institutt.

CERN - det europeiske senteret for partikkelfysikk

Gruppen deltar i planlegging, konstruksjon, oppbygging og styring av eksperimenter både på software og hardware siden, og i den etterfølgende analyse av data fra eksperimentene. Gruppen har nylig også involvert seg i et prosjekt ved DESY-laboratoriet i Hamburg i forbindelse med studier av tunge kvark-systemer.

Virksomheten er i dag karakterisert ved høy grad av internasjonalt samarbeid om store, teknologisk svært avanserte eksperimenter. Ved å delta i disse internasjonale forskningsprosjektene kan vi tilby analyse oppgaver der våre studenter får anledning til å analyse og tolke data fra eksperimenter der man angriper noen av de mest fundamentale spørsmål man har innen grunnforsking i fysikk. Mange av disse eksperimentene stiller krav som bare det ypperste av samtidens elektronikk-, sensor-, data-, vakuum-, og magnet-teknologi kan tilfredsstille - mange ganger har kravene som stilles innenfor den eksperimentelle høyenergifysikk ført til nyutviklinger innenfor disse områdene. Instrumenteringsoppgaver er derfor også en sentral del av gruppens virksomhet. EPF-gruppen kan derfor tilby hovedfagsprosjekter både for studenter med sterk fysikk-bakgrunn og for studenter med måleteknisk bakgrunn.

I det følgende gir vi en kort ufullstendig beskrivelse av prosjektene EPF-gruppen for tiden (høsten 1997) tilbyr hovedfagsoppgaver innenfor.

Gruppens forskningsvirksomhet.

En hovedgren av virksomheten er tilknyttet data-analyse der man med omfattende programmer analyserer data fra eksperimentene og tolker dataene utfra de modeller man har. Dette omfatter en bred virksomhet innen numerisk analyse, simuleringsmetoder, on-line analyse/kontroll og off-line data-analyse. En grundig simulering av både fundamentale fysikkprosesser og detektor-respons utføres. Som deltakere i disse store internasjonale eksperimentene har vi adgang til data og analyseverktøy utviklet innen dette samarbeidet og ved UiO foretas omfattende og avanserte analyser av dataene. Resultatene og fremdrift rapporteres jevnlig til samarbeidspartnerne og publiseres.

En reaksjon i DELPHI-detektoren der signalene i detektorene er vist. Etter at rekonstruksjonsalgoritmene har blitt utført kan man tydelig se hva som har skjedd og hvilke reaksjoner som har foregått. I dette tilfellet er det produsert to W-partikler som hver henfaller til to kvarker.

Den andre hovedvirksomheten i gruppen er tilknyttet instrumentering. Problemene tilknyttet strålingsdeteksjonsystemer, systemmontasje, signalbehandling og on-line kontroll og utlesning av disse systemene, er av de mest fundamentale innen detektorutvikling og har relevans langt utenfor eksperimentell partikkelfysikk. Både innen medisinsk avbildning og for industrielle inspeksjonssystemer brukes halvleder-detektorer i økende grad. Instrumenteringsvirksomheten i gruppen er derfor svært viktig og gruppen deltar i konstruksjon av fremtidens detektorer ved CERN. Gruppen har bygget opp et omfattende infrastruktur ved UiO der man utvikler, konstruerer og tester sensorsystemene før de installeres ved CERN.

To silisiumsensorer, båndet til en integrert krets som er satt på en tykkfilmhybrid

Gruppen tilbyr oppgaver i fire eksperimenter; ATLAS, DELPHI, HERA-B og WA102 :

1 - ATLAS

LHC ( Large Hadron Collider ) er en proton-proton kollisjonsmaskin som skal bygges i den eksisterende LEP-tunnellen på CERN. Hovedmålet med denne maskinen er søk etter Higgsbosoner, studier av Higgs-mekanismen, supersymmetriske modeller, CP-bruddet i b-kvark systemer og ikke minst søke etter nye fenomener utenfor Standardmodellen. To proton-proton eksperimenter skal installeres ved denne akseleratoren. Gruppen deltar i ett av dem, ATLAS. ATLAS er oppdelt i flere subdetektor-system og i samarbeid med SINTEF-SI og Universitetet i Bergen deltar gruppa i konstruksjon og design av en silisium spordetektor for ATLAS. Dette subsystemet kalles SCT (Semiconductor Tracker). Iløpet av en to-års periode skal det bygges en større prototype av denne detektoren og UiO har en sentral posisjon i dette arbeidet som omfatter samarbeid med grupper fra europiske, amerikanske og japanske universiteter.

Vårt arbeid innen ATLAS er tilknyttet overflatemontasje, silisium mikrosystem-sammensetning, silisiumsensor-utvikling, kjøling samt utvikling av utlesning-systemer for silisium-detektoren. Systemene bygges og testes ved UiO og installeres siden i teststråle ved CERN. Hovedfags-oppgaver tilknyttet ATLAS prosjektet kan av denne grunn tilpasses studentens interesse og bakgrunn til å innebære hardware, software eller analyse av teststråle-data. Det vil være mulig å knytte oppgavene opp mot eksterne grupper som digitalteknikk ved IFI, SINTEF/SI eller industri.

Innen LHC prosjektet er allerede et betydelig antall dr.scient og hovedfag-studenter involvert derav de fleste har måleteknisk bakgrunn. Vi har bygget opp en omfattende rentrom og lab-virksomhet tilknyttet de eksperimentelle utfordringer som er beskrevet nedenfor. Lengre opphold ved CERN vil i enkelte tilfeller være ønskelig og/eller nødvendig.

Prosjektene kan deles i 4 grupper :

• Studier, simulering av silisiumstripesensorer. Vi utvikler strålingsharde silisiumsensorer i samarbeid med SINTEF/SI og Univ. i Bergen. Disse sensorene måler partikkelposisjoner med stor presisjon og høy effektivitet. Hovedfagsprosjektene er tilknyttet simulerings-studier av disse sensorene, design samt utførlig testing av dem i lab. og ved CERN. Oppgaver tilknyttet disse testene krever endel fundamental elektronikk-kunnskap og evne til å jobbe selvstendig med avansert apparatur. På sikt vil disse sensorene inkluderes i større prototypesystemer (se nedenfor). Det kan være aktuelt å utføre noen av disse prosjektene ved SINTEF/SI. Kontaktperson: S.Stapnes.

• Hybriddesign og moduleutvikling. I samarbeid med Univ. i Liverpool, Uppsala, LBL og CERN utvikler vi en hybrid for sammensetning av et lite detektorsystem for testing av elektronikk og installasjon i test-stråle ved CERN. Hovedmålsetningen er å operere et slikt system over flere uker, måle effektivitet og signal/støy egenskaper og utvikle kontrollsystemer og utlesningsystemer for disse modulene. Hovedfags-arbeidet kan rettes mot hybriddesign eller operasjon av modulene og vil inneholde en blanding av software og hardwareutvikling. Vi vil også kunne tilby prosjekter som er tilknyttet mekanisk sammensetning, presis montering og bygging av et komplett system bestående av sensorer og hybrider med integrert elektronikk. Termisk og mekanisk tilpasning er et av hovedproblemene for et slikt mikrosystem. Ved Fysisk Institutt er et rentrom bygget opp med utstyr for konstruksjon av slike systemer og gruppen har også et elektronikk testlaboratorium for testing av slike mikrosystemer. Kontaktpersoner: A.L.Read, S.Stapnes.

• Lab og teststråle målinger av integrerte detektor-systemer. Modulene ovenfor skal testes, installeres og leses ut i en teststråle og det kan tilbys flere oppgaver i forbindelse med data-innsamling og analyse av data fra disse modulene. Større prototypesystemer bestående av 20-100 komplette moduler skal installeres og opereres på CERN - i noen tilfeller sammen med et strå-kammer og et kalorimeter. Det kan defineres en rekke spennende oppgaver innen dette prosjektet tilknyttet system-kontroll, utlesning og data-analyse. Kontaktperson : S.Stapnes.

• Kjølestudier for ATLAS silisium detektor. Det kan tilbys oppgaver i samarbeid med SINTEF/SI for studier av kjølesystemer for integrert elektronikk og silisium sensorsystemer. Avansert pakketeknikk, material-studier, studier av termisk stabilitet og ledningsevne er stikkord for denne typen oppgaven. Målsetningen er å utvikle lav-masse systemer for strålingsdeteksjon der bærestrukturen skal ha minimal innvirkning på partiklene. Nye avanserte kjølesystemer basert på faseoverganger (isvæske eller væskegass) utvikles. Samarbeid med SINTEF kan være aktuelt også for denne oppgaven. Kontaktpersoner : H.Kristiansen, S.Stapnes

2 - LEP DELPHI

DELPHI er ett av de fire eksperimentene ved CERNs Large Electron Positron collider, LEP. Gruppen har hardwaremessig vært engasjert i Small Angle Tagger detektoren, SAT, og seinere i et prosjekt for å erstatte SAT-detektoren med en forbedret detektor, STIC (Small angle TIle Calorimeter). Gruppen har gitt viktige bidrag til presisjonsmålinger av massen og vidden til Z^o, dens koplinger til fermioner og dens usynlige vidde (som skyldes henfall til partikler som ikke observeres i detektoren). Fra det siste resultatet kan vi slutte at det bare er tre generasjoner av lette neutrinoer i universet og vi kan sette strikte grenser for eksistensen av nye partikler i energiområdet tilgjengelig ved LEP.

LEP er nå oppgradert for å kjøre med høyere energi (LEP200). Energien er høy nok til at W bosoner kan produseres i par. Disse prosesser har aldri vært observert før, og det knytter seg stor interesse til de presise målingene vi vil gjøre av denne prosessen. Den høye energien vil åpne et nytt vindu i søket etter ennå uobserverte partikler. Det kan for eksempel ikke utelukkes at Higgs-bosoner eller såkalte supersymmetriske partikler kan produseres ved LEP200. Teorien for supersymmertri innebærer både flere Higgs-bosoner, supersymmetriske feltformidlings-partikler foruten supersymmetriske kvarker og leptoner. I tillegg til slike søk vil hendelser der ett av de innkommende elektroner stråler ut et foton tillate oss å studere e⁺e^--kollisjoner i hele energiområdet mellom LEP200 og Z^o -massen.

Gruppen konsentrerer nå sin innsats på analyse av eksisterende LEP200 data. LEP200-datatakning startet i 1996 - med energi nok til å produsere W⁺W^- - og vil pågå til minst slutten av 1999 med stadig økende massesenterenergi. Potensielle hovedfag og dr.scient prosjekter i DELPHI inkluderer :

• Hadronisk tverrsnitt : Man vil utføre av presise målinger av det hadroniske tverrsnittet i massesenterområdet mellom LEP-I (90 GeV) og LEP200 for å teste validiteten til standardmodellen i et helt nytt energiområde.

• slutt-tilstand: Et studie av elektron/muon slutt-tilstander i LEP200 data er en interessant oppgave som kan gi hint om fysikk utover Standardmodellen i tillegg til verdifull informasjon om Standardmodellens gyldighet ved disse energiene.

• Higgs-søk : I forbindelse med enhver økning i stråleenergien og statistikk, vil nye søk etter Standardmodell og MSSM (Minimal Supersymmetrisk StandardModell) Higgsbosoner utføres. De nye resultatene kan bli kombinert med tidligere søk-resultater og andre indirekte målinger for å gi informasjon om den mulige eksistens og masser av Higgsbosonene.

• Presisjonsmåling av W-massen : W-massemålingen er en svært viktig del av en globale test av standardmodellen. Det er viktig å finne utav om dagens målemetoder anvender data optimalt.

• Bestemmelse av massen til -nøytrinoet : Det er mulig at gruppen vil ta del i et studium av måling av -massen i - henfall.

Kontaktpersoner: L.Bugge, A.L.Read.

3 - Studier av b-kvark systemer ved DESY (HERA-B)

Gruppen for eksperimental partikkelfysikk er involvert i ett av de første eksperimentene som tar sikte på å studere og forstå asymmetrien mellom materie og antimaterie i universet ved studier av b-kvark systemer. Eksperimentet, HERA-B, vil gjøre de første observasjonene i 1998/99 ved Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) i Hamburg. Eksperimentet er bygget for studier av CP-symmetribrudd i systemer med nøytrale B-mesoner. Standardmodellens forklaring av det observerte CP-brudd i K-meson systemet impliserer at man forventer store observerbare asymmetrier i B-systemet. HERA-B er for tiden igang med test-kjøring og forventes å måle B-produksjonstverrsnittet i 1998 og samle inn data for CP-målinger i 1999. I tillegg til den mest lovende kanalen , brukes også andre kanaler for studier av CP-brudd og for målinger av CKM-matrisen og mikseparameterne. Fysikkstudiene ved HERA-B åpner for mange muligheter for hovedfag og dr.scient-oppgaver. Følgende emner kan bli kombinerte, modifiserte eller utvidete :

• Bakgrunn : En av de mest sentrale momenter for eksperimentet er CP-rekkevidden i hovedkanalen . Det utføres omfattende Monte Carlo simuleringstudier for å beregne signifikansen man kan oppnå. Denne er sterk influert av store bakgrunner. Bakgrunnens avhengighet av forandringer i detektorkonstruksjon og masseoppløsning er derfor et godt emne for en hf.oppgave.

• Tagging : For å måle asymmetrien i henfall av og -mesoner må man avgjøre hvilke type B-meson som henfalt. Man rekonstruerer derfor henfallskjeden av den andre b-kvarken i detektoren (assosiert produksjon) og bestemmes dens type. B-kvarken i den andre henfallet vil være av motsatt type. Denne prosedyren kalles tagging. Siden det er mange mulige henfall finnes det flere forskjellige tagging-prosedyrer. Kun de tre viktigste av disse har sålangt blitt studert og disse kan både bli optimalisert og bli kombinert med andre metoder.

• CP-rekkevidde : I tillegg til hovedkanalen nevnt ovenfor kan man studere kanalen som tillater måling av en annet vinkel i unitæritetstriangelet av CKM-matrisen. Målingen av dette hadroniske henfallet krever en annen trigger. Undersøkelsene av rekonstruksjonseffektivitene og CP-rekkevidden for denne kanalen inkludert bakgrunnstudier, åpner muligheten for en hel rekke Monte Carlo simuleringsstudier.

Observasjonene av interesse for CP-studiene vil starte i 1999 og vil fortsette i omtrent 4 år. En oppstart av et dr.scient studie i 1998/99 vil passe bra. Siden et slikt studie er mer komplekst og avhenger av din spesielle interesse ta kontakt med gruppen ( ved T.Buran ) direkte.

En stor del av softwaren i HERA-B eksperimentet er utviklet i Zeuthen (i Berlin-området). Siden emnene nevnt ovenfor inkluderer software utvikling vil opphold i Zeuthen og samarbeide med software-gruppen der i noen tilfeller være helt nødvendig. Kontaktperson: T.Buran.

4 - Høyenergi pp reaksjoner (WA102)

I samarbeid med en CERN-gruppe og en gruppe ved Fysisk Institutt, Universitetet i Bergen undersøker vi muligheten for glueball produksjon i proton-proton reaksoner ved 300 og 450 GeV/c observert ved hjelp av detektorkomplekset i CERN. Glueball-søk er en av de mest sentrale oppgaver i eksperimentell partikkelfysikk.

Kvarkene vekselvirker ved å utveksle gluoner. Gluonene er i likhet med fotonene masseløse egenspinn 1 feltkvanta. Mens fotonene ikke vekselvirker med hverandre fordi de ikke har elektrisk ladning, kan gluonene vekselvirke med hverandre fordi de som kvarkene har farveladning. Ifølge QCD ( Quantum Chromo Dynamics ) forventes derfor eksistensen av bundne gluon-systemer, "glueballs", med veldefinerte kvantetall og masse. Da hvert proton har tre valens-kvarker kan proton-proton kollisjoner betraktes som kollisjoner mellom to kvarksystemer. Kvarker fra hvert proton kan emittere virtuelle gluoner som så vekselvirker og danner et bundet system, en glueball. Denne vil så disintegrere til f.eks -meson systemer med bestemt masse og spinn. Spinnet bestemmer de emitterte -mesoners vinkelfordeling i slutt-tilstanden. Kvarker kan emittere gluoner direkte ved gluon bremsestråling som straks hadroniserer til f.eks -mesoner, noe som vi har vært de første til å undersøke i pp-reaksjoner ved 19 GeV/c både for og slutt-tilstander av gluonet. Vårt resultat er i overensstemmelse med spinn 1 for gluonet. Vi fortsetter nå våre undersøkelser av gluon bremsestråling basert på data for pp-reaksjoner ved 300 og 450 GeV/c.

En hovedoppgave vil bestå i analyse av data fra CERN. En slik analyse går for det første ut på å undersøke de eksperimentelle sider ved prosjektet, for det andre i å studere de fordelinger av fysiske størrelser som er interessante i denne forbindelse. Kontaktperson : T.Jacobsen.

Generelt

Alle vitenskapelig ansatte i gruppen kan kontaktes om hovedfagsoppgaver. Gruppelederen (S.Stapnes) formidler gjerne kontakt om du ikke vet hvem du skal snakke med.

Ønskede forkunnskaper avhenger av oppgavetypen. Kontakt gjerne gruppen i god tid, så kan vi sammen planlegge den siste delen av studiet.

Generelt kan sies at oppgaver innen hardware krever interesse for og kunnskaper i elektronikk. For analyseorienterte oppgaver er det en fordel med noe kjennskap til programmering og gjerne litt kunnskaper om numeriske og statistiske metoder i tillegg til "mest mulig" fysikk.