¿Cómo se detectan experimentalmente los quarks y los leptones?

Los leptones son fáciles y se han visto durante muchas décadas.

Una imagen de "libro de texto" de la cámara de burbujas BEBC. Un neutrino interactúa con un protón en el hidrógeno líquido para producir un muón negativo, un protón y un mesón encantado excitado (D*). El D* decae a un mesón D0 encantado más un pión positivo y el propio D0 decae a un kaón negativo y otro pión positivo. Después de detenerse en el líquido, el kaón interactúa con otro protón para producir un hiperón.

Usando la conservación de la energía y el momento, se puede resolver para las masas. [Neutrinos usando álgebra y de falta de energía y momento, electrones y muones de observación directa. Taus del álgebra y la conservación del impulso energético. Los nuevos experimentos usan electrónica sofisticada para medir las curvaturas que darán los momentos y los programas ajustan evento por evento.

Los quarks solo se han visto como chorros de quarks, porque nunca son libres.

El par de quarks top y anti top quark se descompone en chorros, visibles como colecciones colimadas de pistas de partículas y otros fermiones en el detector CDF en Tevatron.

Los materiales didácticos del CERN serán de ayuda para los interesados. Particularmente estos.

Entre todas las partículas elementales, sólo$e^\pm$,$\mu^\pm$y$\gamma$se detectan directamente en los detectores modernos. Para,$e^\pm, \gamma$, se utilizan calorímetros: estas partículas interactúan con material que tiene un gran número atómico creando muchos más electrones y fotones produciendo lo que se llama una lluvia electromagnética. Para los muones, los detectores de gas se suelen utilizar en asociación con un rastreador (que puede fabricarse con detectores de silicio) que puede medir la trayectoria de las partículas cargadas gracias a un potente imán.

Todas las demás partículas elementales se detectan a través de sus productos de descomposición combinando su energía/momento para medir la masa invariable de los productos de descomposición. La comparación de la masa invariable con la masa nominal de la partícula da una buena indicación de la naturaleza de la partícula.

en caso de$\tau$lepton, la vida útil es lo suficientemente grande como para que puedan volar unos pocos mm antes de decaer. Por lo tanto, al detectar el vértice primario (fuente de la colisión) donde el$\tau$se ha producido y el vértice de decaimiento, podemos medir su tiempo de vuelo. La combinación del tiempo de vuelo y la masa invariable de los productos de descomposición son una buena manera de identificar el$\tau$.

Los quarks no pueden volar libremente y están necesariamente "vestidos" en hadrones (piones, protones, etc.). Si la energía del quark es lo suficientemente grande (y este es el caso de los experimentos modernos), 1 solo quark producirá una gran cantidad de hadrones que vuelan aproximadamente en la misma dirección que el quark inicial. Esto formará un chorro de hadrones. Ahora$b$el quark y, en menor medida, el quark c producen respectivamente hadrones B y encantados que pueden volar unos pocos mm. Entonces, nuevamente, un chorro de hadrones que no apunta al vértice primario es un signo de$b$o$c$cuarc. Para$u,d,s$quarks, producen chorros que no se pueden distinguir realmente (al menos con las colisiones de alta energía de hoy en día). Los gluones producen el mismo tipo de chorros (pero un poco más anchos). El quark top es un poco especial: su tiempo de vida es tan corto que decae inmediatamente en un quark ab más un$W$. Entonces la asociación de un$b$-chorro con un$W$(ver más adelante) es un signo de un$t$cuarc. Los hadrones contenidos en los chorros se detectan con calorímetros de hadrones.

$Z$y$W$los bosones tienen una vida útil muy corta y se descomponen tan pronto como se producen. Sin embargo, su masa es enorme en comparación con (casi) todas las demás partículas elementales.$Z$puede tener una firma clara a través de su decaimiento leptónico$Z\to e^+ + e^-, \mu^+ + \mu^-, \tau^+ + \tau^-$. Cuando se descomponen en quarks$q \bar{q}$, produjeron 2 chorros que se pueden combinar para medir la masa invariante (pero con una precisión mucho menor que con el canal leptónico). Para$W$, pueden desintegrarse en un neutrino y un leptón cargado o en$q \bar{q'}$produciendo 2 chorros. Los neutrinos no se detectan y aparecerán como un flujo de energía faltante en comparación con la energía inicial de la colisión. La combinación de la magnitud de esta energía faltante y su dirección con el leptón cargado da un espectro de masas aproximado con una forma que puede usarse para rastrear el$W$. Con el decaimiento hadrónico W (en chorros), la combinación de chorros también da acceso a la masa invariante.