DELPHI (experiência)

O experimento DELPHI (DEtector with Lepton, Photon and Hadron Identification - Detector com identificação de léptons, fótons e hádrons) foi um dos quatro grande detectores do LEP (Large Electron-Positron Collider - Grande Colisor de Elétrons e Pósitrons) no CERN, um dos maiores aceleradores de partículas já feitos. Assim como os outros três detectores, ele coletou e analisou resultados das colisões de feixes de elétrons e pósitrons acelerados no LEP.^[1][2] As principais características do DELPHI foram a capacidade de identificação de partículas, informação tridimensional com alta granularidade e determinação precisa de vértice.^[3]

A construção do DELPHI começou em 1983 e terminou em 1988, para a operação inicial do LEP em 1989.^[3] Após o LEP terminar a operação em 2000, a maior parte do DELPHI começou a ser desmontada. Sua desmontagem terminou em setembro de 2001.^[2][4] A seção central foi mantida e movida para um espaço não utilizado no ponto 8 do grande colisor de hádrons, onde permanece como uma instalação de museu, ao lado do detector LHCb, em operação.^[5]

DELPHI tinha o formato de um cilindro de 10 metros de comprimento e diâmetro e um peso de 3500 toneladas. Em operação, elétrons e pósitrons do acelerador passavam por um tubo que atravessava o  centro do cilindro e colidiam no centro do detector. Os produtos da colisão então viajavam para fora do tubo e eram analisados por vários sub detectores projetados para identificar a natureza e trajetória das partículas produzidas pela colisão.^[6]

Havia cinco detectores de reconstrução de trajetórias na parte cilíndrica do detector: o detector de vértices (VD , de Vertex Detector), o detector interno (ID, de Inner Detector), a câmara de projeção temporal (TPC, de Time Projection Chamber), o detector externo (OD, de Outer Detector), e as câmaras de múons do barril (MUB. de MUon Barrel Chambers).^[7]

O detector de vértices era um detector de silício, formado de camadas concêntricas, que ficava mais próximo do ponto da colisão. Tinha o propósito de fornecer a posição ao longo das trajetórias das partículas com precisão para a determinação dos seus vértices de produção e decaimento. Partículas de vida curta eram encontradas extrapolando-se a trajetória de volta para um ponto de interação.^[6] Uma atualização do detector de vértices foi realizada em 1997 para compor a parte central do detector de silício.^[8]

O detector interno, posicionado entre o detector de vértices e a câmara de projeção temporal, fornecia alta redundância para a reconstrução de vértices e informação para o trigger.^[9] Era composto por uma câmara de arrasto(JET) e pelas camadas de trigger (TL - Trigger Layers).^[7] O gás usado na câmara de JET era na maior parte CO₂, com uma pequena quantidade de isobutano, o que permitia que sinais causados por trajetórias de partículas vindas de um mesmo ponto.^[6]

A câmara de projeção temporal (TPC) era o principal dispositivo de monitoramento do DELPHI, também fazia a medição da perda de energia das partículas (dE/dX)^[10]. O OD fornece medições de direção final após o detector Cherenkov por imagens de anel de cilindro.^[6]

O DELPHI era capaz de usar a técnica de imagem do anel de Cherenkov para diferenciar partículas secundárias carregadas produzidas pelas colisões.^[11] Isso foi feito usando dois radiadores RICH (Ring Imaging Cherenkov) com diferentes índices de refração para identificação de partículas em diferentes alcances. O detector barril-RICH e o detector Forward-RICH foram dois independentes detectores que cobriam diferentes ângulos polares.^[12]

Havia também outras quatro câmaras de trajetórias na parte frontal do detector: câmaras frontais A (FCA) e B (FCB), a mais frontal (VFT), a câmara de múons frontal (MUF) e as câmaras de múons ao redor (SMC).^[6][7] As câmaras dianteiras cobriam vários ângulos polares da parte mais dianteira do detector. As câmaras de múons estavam mais longe do ponto de colisão uma vez que os múons podem passar pelos calorímetros.^[6]

O sistema calorimétrico eletromagnético consistia de dois calorímetros muito frontais e dois calorímetros para ângulos pequenos. A câmara de projeção de alta densidade (HPC) era um calorímetro eletromagnético em forma de cilindro montado no interior do solenóide fora do detector externo (OD).^[13] O calorímetro eletromagnético frontal (FEMC) consistia de dois discos de 5 metros de diâmetro feitos de vidro chumbo.^[14] Os cintiladores adicionais foram instalados para garantir que fótons com altas energias não escapassem detecção.^[6]

O calorímetro hadrônico (HCAL) permitia medidas calorimétricas da energia dos hádrons. Ele era um detector a gás de amostragem que é incorporado na canga magnética e cobre uma certa região de ângulo polar.^[15]

A luminosidade era medida usando pequenas telhas calorimétricas de pequenos ângulos (STIC) e o marcador de ângulos muito pequenos (VSAT). Para medir a luminosidade, o número de eventos de um processo conhecido deve ser contado, que no experimento DELPHI foi escolhido para ser o espalhamento de bhabha em ângulos pequenos. O STIC era um calorímetro cintilador de chumbo consistindo de dois detectores cilíndricos em cada lado da região de interação, que cobria uma grande região angular.^[16] O VSAT consistia de quatro módulos de calorímetros e detectava elétrons e pósitrons produzidos no espalhamento bhabha.^[17]

O propósito do sistema trigger para o DELPHI era selecionar todos os eventos originados das interações elétron-pósitron. O sistema trigger tinha quatro níveis de seletividade de natureza crescente (T1, T2, T3, T4), usando contribuições de dados de cada sub detector para informar a decisão do trigger para os dois primeiros níveis. Os últimos dois níveis eram filtros de software.^[18]

Os dados produzidos pelo DELPHI permitiram o primeiro estudo da reação e⁺e^- → W⁺ W^-. Isso foi feito tendo as energias do centro de massa acima do limite de produção do par WW. Pelos dados, a massa do bóson W foi determinada como 80.40 ± 0.45 Gev/c² que foi então combinado com resultados de outras colaborações do LEP.^[19]

O bóson de Higgs também foi um assunto de alto interesse para o experimento DELPHI, uma vez que bósons de Higgs são produzidos em colisões e⁺e⁻. A seção de choque dessa interação é fortemente dependente da massa do Higgs, então ela poderia ser determinada experimentalmente. A massa do bóson de Higgs ainda não era conhecida até o DELPHI terminar sua operação, portanto, somente um limite de exclusão de massa pôde ser feito pelo experimento.^[20]

Além disso, durante a tomada de dados do LEP1 que ocorreu entre 1989 e 1995, decaimentos hadrônicos e leptônicos dos bóson Z em 91 GeV foram investigados e as larguras de diferentes ramos foram obtidas. Os resultados tiveram boas concordâncias com as previsões e expectativas do modelo padrão. Mais tarde em 1995, o experimento foi executado em energias intermediárias de 130 e 136 GeV onde, junto com outros experimentos do LEP, os resultados encontrados estavam de acordo com as previsões do modelo padrão.

O Laboratório de Física de Partículas Elementares (LAPE) do instituto de física da Universidade Federal do Rio de Janeiro faz parte da Colaboração DELPHI desde 1990, contribuindo para a preparação dos experimentos do LHC e estavam envolvidos com o objetivo de criar um grupo coeso de física de partículas. A ideia era contribuir ativamente para projetos aplicados e estudos de física de destaque no CERN e, ao mesmo tempo, formar uma equipe que combinasse as habilidades necessárias para participar de um experimento moderno de física de partículas em todos os seus aspectos. Com o apoio da Comissão Europeia, um projeto de pesquisa conjunto de três anos entre a UFRJ e o CERN atingiu esse objetivo.

As universidades Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio) e Universidade Estadual do Rio de Janeiro (UERJ) também colaboraram na construção e operação do detector, no desenvolvimento de programas de análise de dados e simulações de colisões, o que foi fundamental para a busca de partículas ainda desconhecidas como o bóson de Higgs e para a investigação detalhada de partículas que já haviam sido detectadas.^[21][22]