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Articulo de referencia

CLEO (detector de partículas)

El experimento CLEO fue un detector de partículas que operó desde 1979 hasta 2008 en el Anillo de Almacenamiento de Electrones de Cornell (CESR). El experimento fue diseñado par...

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El experimento CLEO fue un detector de partículas que operó desde 1979 hasta 2008 en el Anillo de Almacenamiento de Electrones de Cornell (CESR). El experimento fue diseñado para estudiar las partículas exóticas y de corta duración producidas cuando haces de electrones y sus antipartículas, los positrones , chocaban entre sí a altas energías. Funcionando como una gigantesca cámara digital multicapa, el detector registraba los restos subatómicos de estas colisiones. Esto permitió a los físicos estudiar los componentes fundamentales de la materia, en particular las partículas conocidas como mesones y leptones que contienen quarks bottom , quarks charm y leptones tau . [ 1 ] El nombre CLEO no es un acrónimo; es la abreviatura de Cleopatra y fue elegido para complementar el nombre del acelerador, CESR (pronunciado Caesar ). [ 2 ]

Durante sus treinta años de vida, el detector CLEO y la colaboración internacional de físicos que lo operaban hicieron contribuciones significativas a la física de partículas . El enfoque principal del experimento era el estudio de los mesones B , partículas cuyo comportamiento proporciona información clave sobre el desequilibrio materia-antimateria del universo y la fuerza débil . Si bien más tarde, fábricas de mesones B más potentes como BaBar y Belle superaron sus capacidades en física de mesones B, [ 3 ] CLEO siguió siendo un experimento altamente productivo. En sus últimos años, bajo el nombre de CLEO-c, cambió su enfoque a mediciones de alta precisión de partículas que contienen quarks encanto, proporcionando datos cruciales para probar teorías de la fuerza fuerte . [ 4 ] En el momento de su desmantelamiento, CLEO era uno de los experimentos de mayor duración en la historia de la física de partículas. [ 5 ] [ 6 ]

Historia

Propuesta y construcción

La Universidad de Cornell había construido una serie de sincrotrones desde la década de 1940. El  sincrotrón de 10 GeV en funcionamiento durante la década de 1970 había llevado a cabo varios experimentos, pero funcionaba a una energía mucho menor que el  acelerador lineal de 20 GeV en SLAC. [ 7 ] A finales de octubre de 1974, Cornell planeaba actualizar el sincrotrón para alcanzar energías de 25  GeV y construir un nuevo sincrotrón para alcanzar 40  GeV. [ 8 ] Después de que el descubrimiento del J/Ψ en noviembre de 1974 [ 9 ] [ 10 ] demostrara que se podía hacer física interesante con un colisionador de electrones y positrones, Cornell presentó una propuesta en 1975 para un colisionador de electrones y positrones que operara hasta energías en el centro de masas de 16  GeV utilizando el túnel de sincrotrón existente. Un acelerador de 16  GeV exploraría la región de energía entre la del acelerador SPEAR y los aceleradores PEP y PETRA . [ 11 ] CESR y CLEO fueron aprobados en 1977 [ 12 ] y casi terminados en 1979. [ 13 ] CLEO se construyó en la gran sala experimental en el extremo sur de CESR; un detector más pequeño llamado CUSB (por Columbia University-Stony Brook) se construyó en la región de interacción norte. Entre la propuesta y la construcción de CESR y CLEO, Fermilab descubrió las resonancias Υ y sugirió que existían hasta tres estados. [ 14 ] Las resonancias Υ(1S) [ 15 ] [ 16 ] y Υ(2S) [ 17 ] [ 18 ] fueron confirmadas en el acelerador DORIS. La primera tarea una vez que CESR estuvo en funcionamiento fue encontrar las resonancias Υ. CLEO y CUSB encontraron el Υ(1S) poco después de comenzar a recopilar datos, y utilizaron la diferencia de masa de DORIS para encontrar rápidamente el Υ(2S). Las energías de haz más altas de CESR permitieron a CLEO [ 19 ] y CUSB [ 20 ] encontrar el Υ(3S) más masivo y descubrir el Υ(4S). [ 21 ] [ 22 ] Además, la presencia de un exceso de electrones [ 23 ] y muones [ 24 ] en el Υ(4S) indicó que desintegró en mesones B. CLEO procedió a publicar más de sesenta artículos utilizando la configuración original CLEO I del detector. [ 25]]

CLEO tenía competencia en la medición de mesones B, particularmente de la colaboración ARGUS . [ 26 ] La colaboración CLEO estaba preocupada de que el detector ARGUS en DESY fuera mejor que CLEO, por lo que comenzó a planificar una actualización. El detector mejorado usaría una nueva cámara de deriva para el seguimiento y las mediciones de dE/dx, un calorímetro de yoduro de cesio dentro de un nuevo imán solenoide, contadores de tiempo de vuelo y nuevos detectores de muones. La nueva cámara de deriva (DR2) tenía el mismo radio exterior que la cámara de deriva original para permitir su instalación antes de que los demás componentes estuvieran listos. [ 26 ]

CLEO recopiló datos durante dos años en la configuración CLEO IV: una nueva cámara de deriva, un detector de vértice (VD) de diez capas dentro de la cámara de deriva, un inserto de cámara de deriva de tubo de paja de tres capas (IV) dentro del VD y un calorímetro prototipo de CsI que reemplazó a uno de los detectores de cascada de punta de polo originales. [ 27 ] El punto culminante de la era CLEO IV fue la observación de desintegraciones B semileptónicas a estados finales sin encanto, [ 28 ] presentada menos de tres semanas antes de una observación similar de ARGUS. [ 29 ] El apagado para la instalación de DR2 permitió a ARGUS adelantarse a CLEO en la observación de la mezcla B, que fue la medición más citada de cualquiera de los experimentos B simétricos. [ 30 ]

CLEO II

CLEO se apagó en abril de 1988 para comenzar el resto de la instalación de CLEO II, y terminó la actualización en agosto de 1989. [ 31 ] Un rastreador de precisión (PT) de cámara de paja de seis capas reemplazó al IV, y se instalaron los detectores de tiempo de vuelo, el calorímetro de CsI, el imán solenoide y el hierro, y las cámaras de muones. Esta sería la configuración del detector CLEO II. Durante la era CLEO II, la colaboración observó las desintegraciones de corriente neutra con cambio de sabor B +,0 → K *+,0 γ [ 32 ] y b → s γ. [ 33 ] También se descubrieron desintegraciones de mesones B a dos mesones sin encanto durante CLEO II. [ 34 ] [ 35 ] Estas desintegraciones eran de interés debido a la posibilidad de observar la violación de CP en desintegraciones como K ± π 0 , [ 36 ] aunque tal medición requeriría grandes cantidades de datos.

La observación de asimetrías dependientes del tiempo en la producción de ciertos estados finales con simetría de sabor (como J/Ψ K 0 S ) fue una forma más sencilla de detectar la violación de CP en mesones B, tanto teórica como experimentalmente. [ 37 ] Un acelerador asimétrico, en el que los electrones y positrones tuvieran energías diferentes, era necesario para medir la diferencia de tiempo entre las desintegraciones de B 0 y B 0 . CESR y CLEO presentaron una propuesta para construir un anillo de baja energía en el túnel existente y actualizar el detector CLEO II con financiación de la NSF . SLAC también presentó una propuesta para construir una fábrica de mesones B con fondos del DOE . Los diseños iniciales se revisaron por primera vez en 1991, pero el DOE y la NSF acordaron que no había fondos suficientes para construir ninguna de las dos instalaciones y se pospuso la decisión sobre cuál construir. Las propuestas se reconsideraron en 1993, esta vez con ambas instalaciones compitiendo por el dinero del DOE. En octubre de 1993, se anunció que la fábrica de mesones B se construiría en SLAC. [ 38 ]

Después de perder la competencia por la fábrica B, CESR y CLEO procedieron con un plan de dos partes para actualizar el acelerador y el detector. La primera fase fue la actualización a la configuración CLEO II.V entre mayo y octubre de 1995, que incluyó un detector de silicio para reemplazar el PT y un cambio de la mezcla de gases en la cámara de deriva de una mezcla de argón-etano a una mezcla de helio-propano. [ 39 ] El detector de silicio proporcionó una excelente resolución de vértice, lo que permitió mediciones precisas de las vidas medias de D 0 , D + , D s y τ y la mezcla de D. La cámara de deriva tenía mejor eficiencia y resolución de momento.

CLEO III

La segunda fase de la actualización incluyó nuevos cuadrupolos superconductores cerca del detector. Los detectores VD y DR2 debían reemplazarse para dar cabida a los imanes cuadrupolares. La configuración de CLEO-III también incluiría un nuevo detector de silicio y una cámara de identificación de partículas .

La actualización CLEO III reemplazó la cámara de deriva y el detector de silicio y añadió un detector Cherenkov de imagen anular ( RICH ) para una mejor identificación de partículas. [ 40 ] La cámara de deriva CLEO III (DR3) alcanzó la misma resolución de momento que la cámara de deriva CLEO II.V, a pesar de tener un brazo de palanca más corto para alojar el detector RICH. La masa de las placas terminales de CLEO III también se redujo para permitir una mejor resolución en los calorímetros de las tapas terminales. [ 41 ]

CLEO II.V dejó de recopilar datos en febrero de 1999. El detector RICH se instaló a partir de junio de 1999, y DR3 se instaló inmediatamente después. El detector de silicio se instalaría a continuación, pero aún estaba en construcción. Se realizó una prueba de ingeniería hasta que el detector de silicio estuvo listo para su instalación en febrero de 2000. [ 42 ] CLEO III recolectó 6  fb −1 de datos en Υ(4S) y otros 2  fb −1 por debajo de Υ(4S).

Con la llegada de los experimentos BaBar y Belle , de alta luminosidad , CLEO ya no podía realizar mediciones competitivas de la mayoría de las propiedades de los mesones B. Por ello, CLEO decidió estudiar los distintos estados de quarkonios bottom y charm, así como los mesones charm. El programa comenzó revisando los estados γ por debajo del umbral del mesón B, y los últimos datos recopilados con el detector CLEO-III correspondieron a las resonancias γ(1-3S).

CLEO-c

CLEO-c fue la versión final del detector, optimizada para la toma de datos a las energías de haz reducidas necesarias para el estudio del quark encanto. Reemplazó al detector de silicio CLEO III, cuya eficiencia fue menor a la esperada, con una cámara de deriva estereoscópica (ZD) de seis capas. CLEO-c también operó con el imán solenoide a un campo magnético reducido de 1  T para mejorar la detección de partículas cargadas de bajo momento. Las bajas multiplicidades de partículas a estas energías permitieron una reconstrucción eficiente de los mesones D. CLEO-c midió propiedades de los mesones D que sirvieron como datos de entrada para las mediciones realizadas por las fábricas de mesones B. También midió muchos de los estados de quarkonios que ayudaron a verificar los cálculos de QCD en la red.

Detector

Los subdetectores de CLEO realizan tres tareas principales: seguimiento de partículas cargadas, calorimetría de partículas neutras y electrones, e identificación del tipo de partícula cargada.

Seguimiento

CLEO siempre ha utilizado un imán solenoide para permitir la medición de partículas cargadas. El diseño original de CLEO contemplaba un solenoide superconductor, pero era evidente que no se podría construir a tiempo.  Primero se instaló un solenoide convencional de 0,42 T, que luego fue reemplazado por el imán superconductor en septiembre de 1981. La bobina superconductora fue diseñada para operar a 1,2  T, pero nunca se operó por encima de 1,0  T. [ 43 ] Se construyó un nuevo imán para la actualización de CLEO II y se colocó entre el calorímetro y el detector de muones. Operó a 1,5  T hasta CLEO-c, cuando el campo magnético se redujo a 1,0  T.

cámaras de alambre

El detector CLEO original utilizaba tres cámaras de seguimiento separadas. La cámara más interna (IZ) era una cámara de alambre proporcional de tres capas que ocupaba la región comprendida entre un radio de 9  cm y 17  cm. Cada capa tenía 240 alambres de ánodo para medir el azimut de la trayectoria y 144 aros de tiras de cátodo de 5  mm de ancho dentro y fuera de los alambres de ánodo (864 tiras de cátodo en total) para medir el z de la trayectoria. [ 44 ]

La cámara de deriva (DR) de CLEO I se encontraba inmediatamente fuera de la IZ y ocupaba la región comprendida entre un radio de 17,3  cm y 95  cm. Constaba de diecisiete capas de celdas de 11,3  mm  ×  10,0 mm con 42,5 mm entre capas, para un total de 5304 celdas. Había dos capas de cables de campo por cada capa de cables de detección. Las capas impares eran axiales y las pares eran estéreo alternas. [ 45 ]  

La última cámara de seguimiento dedicada de CLEO I era la cámara de deriva Z externa planar (OZ) situada entre el imán solenoide y las cámaras dE/dx. Constaba de tres capas separadas radialmente por 2,5  cm. La capa más interna era perpendicular a la línea de haz, y las dos capas externas estaban a ±10° con respecto a la cámara más interna para proporcionar información de seguimiento azimutal. Cada octante estaba equipado con una cámara OZ. [ 46 ]

Se construyó una nueva cámara de deriva, DR2, para reemplazar la original. La nueva cámara tenía el mismo radio exterior que la original para poder instalarla antes de que estuvieran listas las demás mejoras del CLEO II. DR2 era un detector de 51 capas, con una disposición de capas axiales/estéreo 000+000-. DR2 tenía solo una capa de cables de campo entre cada capa de cables de detección, lo que permitía que cupieran muchas más capas en el espacio asignado. Los cables de detección axiales tenían un desfase de media celda para ayudar a resolver la ambigüedad izquierda-derecha de la cámara de deriva original. Las capas de campo internas y externas de la cámara eran tiras de cátodo para realizar mediciones de la coordenada longitudinal de las trayectorias. DR2 también fue diseñado para realizar mediciones de dE/dx además de las mediciones de seguimiento. [ 47 ]

La cámara IZ fue reemplazada por una cámara de deriva de diez capas (VD) en 1984. Cuando el radio del tubo de haz se redujo de 7,5  a 5,0  cm en 1986, se construyó una cámara de tubos de paja de tres capas (IV) para ocupar el espacio disponible. La IV fue reemplazada durante la actualización CLEO II por un tubo de tubos de paja de cinco capas con un  radio interior de 3,5 cm.

La cámara de deriva CLEO III (DR3) se diseñó para tener un rendimiento similar al de la cámara de deriva CLEO II/II.V, aunque sería más pequeña para dejar espacio para el detector RICH. Las dieciséis capas más internas eran axiales, y las 31 capas más externas estaban agrupadas en supercapas estereoscópicas alternas de cuatro capas. La pared exterior de la cámara de deriva estaba instrumentada con  almohadillas catódicas de 1 cm de ancho para proporcionar mediciones z adicionales. [ 48 ]

La última cámara de deriva construida para CLEO fue la cámara de deriva interna ZD para la actualización CLEO-c. Su diseño de seis capas, todas estéreo, proporcionaría mediciones longitudinales de trayectorias de bajo momento que no alcanzarían las capas estéreo de la cámara de deriva principal. Con la excepción del mayor ángulo estéreo y el menor tamaño de celda, el diseño de la ZD era muy similar al diseño de la DR3. [ 49 ]

Detectores de silicio

CLEO construyó su primer detector de vértice de silicio para la actualización CLEO II.V. El detector de silicio era un dispositivo de tres capas, dispuestas en octantes. La capa más interna tenía un radio de 2,4  cm y la capa más externa, un radio de 4,7  cm. Se utilizaron un total de 96 obleas de silicio, con un total de 26 208 canales de lectura. [ 50 ]

La actualización de CLEO III incluyó un nuevo detector de vértice de silicio de cuatro capas y doble cara. Estaba compuesto por 447 obleas idénticas de 1  pulgada  ×  2  pulgadas con un  paso de tira de 50 micrómetros en el lado r-φ y un  paso de 100 micrómetros en el lado z. El detector de silicio alcanzó una eficiencia del 85 % tras su instalación, pero pronto comenzó a sufrir ineficiencias cada vez mayores. Estas ineficiencias se encontraron en regiones aproximadamente semicirculares de las obleas. [ 51 ] El detector de silicio fue reemplazado en CLEO-c debido a su bajo rendimiento, la menor necesidad de capacidades de detección de vértices y el deseo de minimizar el material cerca del haz de luz. [ 52 ]

Calorimetría

CLEO I tenía tres calorímetros separados. Todos usaban capas de tubos proporcionales intercaladas con láminas de plomo. Los detectores de cascada de octante estaban fuera de los detectores de tiempo de vuelo en cada uno de los octantes. Cada detector de octante tenía 44 capas de tubos proporcionales, alternando paralelos y perpendiculares al tubo de haz. Los cables estaban agrupados para reducir el número de canales de lectura para un total de 774 grupos. [ 53 ] Los detectores de cascada de extremo de octante eran dispositivos de dieciséis capas colocados en cada extremo de las cámaras dE/dx. Las capas seguían un patrón azimutal, estéreo positivo, azimutal, estéreo negativo. Los cables estéreo eran paralelos a los lados inclinados del detector. Las capas estaban agrupadas de manera similar a los detectores de cascada de octante. [ 54 ] El detector de cascada de punta de polo estaba colocado entre los extremos de la cámara de deriva y las puntas de polo del retorno de flujo magnético. El detector de ducha en la punta del mástil tenía 21 capas, con siete grupos de capas verticales, de +120° y de -120°. El detector de ducha de cada lado estaba construido en dos mitades para permitir el acceso al tubo de haz. [ 55 ]

La calorimetría mejoró significativamente durante la actualización de CLEO II. El nuevo calorímetro electromagnético utilizaba 7784 cristales de CsI dopados con talio. Cada cristal tenía aproximadamente 30  cm de profundidad y una cara de 5  cm  ×  5  cm. La región central del calorímetro era un cilindro situado entre la cámara de deriva y el imán solenoide, y dos calorímetros de extremo se colocaron en cada extremo de la cámara de deriva. Los cristales en el extremo estaban orientados paralelamente a la línea del haz. Los cristales en el calorímetro central apuntaban a un punto desplazado del punto de interacción tanto longitudinal como transversalmente por unos pocos centímetros para evitar ineficiencias debidas al paso de partículas entre cristales vecinos. [ 56 ] El calorímetro medía principalmente la energía de fotones o electrones, aunque también se utilizaba para detectar antineutrones. [ 57 ] Todas las versiones del detector, desde CLEO-II hasta CLEO-c, utilizaron el calorímetro de CsI.

Identificación de partículas

En CLEO se producen cinco tipos de partículas cargadas de larga duración: electrones, piones, muones, kaones y protones. La identificación precisa de cada uno de estos tipos mejora significativamente las capacidades del detector. La identificación de partículas se realizó mediante subdetectores específicos, así como mediante el calorímetro y la cámara de deriva.

La parte exterior del detector CLEO se dividió en octantes independientes que se dedicaron principalmente a la identificación de partículas cargadas. [ 58 ] No se llegó a un consenso claro sobre la elección de la tecnología para la identificación de partículas, por lo tanto, dos octantes se equiparon con cámaras de ionización dE/dx, dos octantes se equiparon con detectores Cerenkov de gas de alta presión y cuatro octantes se equiparon con detectores Cerenkov de gas de baja presión. [ 59 ] El sistema dE/dx demostró un rendimiento superior en la identificación de partículas y ayudó en el seguimiento, por lo tanto, en septiembre de 1981, los ocho octantes se equiparon con cámaras dE/dx. [ 60 ] [ 61 ] Las cámaras dE/dx medían la ionización de partículas cargadas a medida que pasaban a través de una cámara proporcional de múltiples hilos (MWPC). [ 58 ] : 17 Cada octante dE/dx se hizo con 124 módulos separados, y cada módulo contenía 117 hilos. Se agruparon grupos de diez módulos para minimizar el número de canales de lectura. Los dos primeros y los dos últimos módulos no estaban instrumentados, por lo tanto, cada octante tenía doce celdas. [ 58 ] : 33

El detector de tiempo de vuelo se encontraba directamente fuera de las cámaras dE/dx. Identificaba una partícula cargada midiendo su velocidad y comparándola con la medición de momento de las cámaras de seguimiento. Se dispusieron barras centelleadoras paralelas a la línea de haz, con seis barras para cada mitad del octante. Las seis barras de cada mitad del octante se superponían para evitar regiones sin instrumentar. Los fotones centelleadores se detectaban mediante tubos fotomultiplicadores. Cada barra medía 2,03  m  ×  0,312  m ×  0,025  m. [ 62 ]

Las cámaras de deriva de muones de CLEO I eran los detectores más externos. Dos capas de detectores de muones se ubicaban fuera del hierro del imán en cada extremo de CLEO. La región del barril tenía dos capas adicionales de cámaras de muones después de 15  cm y 30  cm de hierro del imán. Los detectores de muones tenían una profundidad de entre 4 y 10 longitudes de radiación y eran sensibles a muones con energías de al menos 1-2  GeV. El yugo del imán pesaba 580  toneladas, y cada uno de los cuatro carros móviles en cada esquina del detector pesaba 240  toneladas, para un total de 1540  toneladas. [ 63 ]

CLEO II utilizó detectores de tiempo de vuelo entre la cámara de deriva y el calorímetro, uno en la región del cañón y el otro en la región de la tapa. La región del cañón constaba de 64 barras Bicron con guías de luz que conducían a tubos fotomultiplicadores fuera de la región del campo magnético. Un sistema similar cubría la región de la tapa. El sistema TOF tenía una resolución temporal de 150  cm. Los detectores TOF centrales y de la tapa, combinados, cubrían el 97 % del ángulo sólido. [ 64 ]

El detector de muones CLEO I estaba lo suficientemente lejos de la región de interacción como para que las desintegraciones en vuelo de piones y kaones constituyeran un ruido de fondo significativo. [ 26 ] La estructura más compacta del detector CLEO II permitió acercar los detectores de muones al punto de interacción. Se colocaron tres capas de detectores de muones detrás de capas de absorbentes de hierro. Los contadores de filamentos se leían desde cada extremo para determinar la posición z. [ 64 ]

La actualización CLEO III incluyó la adición del subdetector RICH, un subdetector dedicado a la identificación de partículas. El detector RICH debía tener  una longitud radial inferior a 20 cm, entre la cámara de deriva y el calorímetro, y representar menos del 12 % de la longitud de radiación. El detector RICH utilizaba la radiación Cerenkov de partículas cargadas para medir su velocidad. Combinada con la medición del momento lineal de los detectores de seguimiento, se podía determinar la masa de la partícula y, por lo tanto, su identidad. Las partículas cargadas producían luz Cerenkov al pasar a través de una ventana de LiF. El radiador del RICH estaba compuesto por catorce anillos de treinta cristales de LiF, y los cuatro anillos centrales presentaban un patrón de dientes de sierra para evitar la reflexión interna total de los fotones Cerenkov. Los fotones viajaban a través de un volumen de expansión de nitrógeno, lo que permitía determinar con precisión el ángulo del cono. Los fotones eran detectados por almohadillas catódicas de 7,5  mm  ×  8,0  mm en una cámara multihilo que contenía una mezcla de gas metano-trietilamina. [ 40 ]

programa de física

CLEO ha publicado más de 200 artículos en Physical Review Letters [ 65 ] y más de 180 artículos en Physical Review . [ 66 ] Los informes de b → s γ inclusivos [ 33 ] y exclusivos [ 32 ] han sido citados más de 500 veces. [ 67 ] La física de B solía ser la máxima prioridad de CLEO, pero la colaboración ha realizado mediciones en un amplio espectro de temas de física de partículas.

mesones B

El artículo más citado de CLEO informó la primera medición de la desintegración de corriente neutra con cambio de sabor b→sγ. [ 33 ] La medición coincidió bien con el Modelo Estándar y estableció restricciones significativas en numerosas propuestas más allá del Modelo Estándar , como el Higgs cargado y los acoplamientos WWγ anómalos. También se midió la desintegración exclusiva análoga B +,0 → K *+,0 γ. [ 32 ] CLEO y ARGUS informaron mediciones casi simultáneas de desintegraciones inclusivas semileptónicas sin encanto del mesón B, que establecieron directamente un valor distinto de cero del elemento de la matriz CKM |V ub |. [ 28 ] [ 29 ] Las desintegraciones exclusivas sin encanto del mesón B fueron observadas por primera vez por CLEO seis años después en los modos B → πlν, ρlν, [ 68 ] y se utilizaron para determinar |V ub |. [ 69 ] [ 70 ] [ 71 ] [ 72 ] CLEO también descubrió muchos de los análogos hadrónicos: B +,0 → K(892) + π − , [ 73 ] φ K (*) , [ 74 ] K + π 0 , K 0 π 0 , π + π − , [ 75 ] π + ρ 0 , π + ρ − , π + ω [ 76 ] η K * , [ 77 ] η ′ K [ 78 ] y K 0 π + , K + π − . [ 35 ] Estos modos de desintegración hadrónica sin encanto pueden investigar la violación de CP y son sensibles a los ángulos α y γ del triángulo unitario. Finalmente, CLEO observó muchas desintegraciones exclusivas con encanto de mesones B, incluyendo varias que son sensibles a |V cb |: B→ D (*) K *− , [ 79 ] B 0 → D *0 π 0 [ 80 ] B→ Λ + c p π− , Λ + c p π + π − , [ 81 ] B 0 → D *0 π + π + π − π − , [ 82 ] B 0 → D * ρ ′ − , [ 83 ] B 0 → D *− p p π + , D *− p n , [ 57 ] B→ J/Ψ φ K, [ 84 ] B 0 → D *+ D *− , [ 85 ] y B + → D 0 K + . [ 86 ]

hadrones encantadores

Aunque CLEO se dirigió principalmente cerca del Υ(4S) para estudiar los mesones B, también compitió con experimentos diseñados para estudiar hadrones con encanto. La primera medición de las propiedades de los hadrones con encanto por CLEO fue la observación del D s . [ 87 ] CLEO midió una masa de 1970±7  MeV, considerablemente menor que las observaciones anteriores de 2030±60  MeV [ 88 ] y 2020±10  MeV. [ 89 ] CLEO descubrió el D sJ (2573) [ 90 ] y el D sJ (2463). [ 91 ] CLEO fue el primer experimento en medir la desintegración doblemente suprimida de Cabibbo D 0 → K + π − , [ 92 ] y CLEO realizó análisis de Dalitz de D 0,+ en varios modos de desintegración. [ 93 ] [ 94 ] [ 95 ] [ 96 ] [ 97 ] [ 98 ] CLEO estudió el D * (2010) + , haciendo la primera medición de su ancho y la medición más precisa de la diferencia de masa D * -D 0. [ 99 ] CLEO-c hizo muchas de las mediciones más precisas de las razones de ramificación del mesón D en canales inclusivos, [ 100 ] [ 101 ] μ + ν μ, [ 4 ] desintegraciones semileptónicas, [ 102 ] [ 103 ] y desintegraciones hadrónicas. [ 104 ] [ 105 ] [ 106 ] Estas fracciones de ramificación son entradas importantes para las mediciones del mesón B en BaBar y Belle. CLEO observó por primera vez la desintegración puramente leptónica D + s →μ + ν , [ 107 ] que proporcionó una medida experimental de la constante de desintegración f D s . CLEO-c realizó las mediciones más precisas de f D + [ 4 ] y f D s . [ 99 ]Estas constantes de desintegración son a su vez una entrada clave para la interpretación de otras mediciones, como la mezcla B. [ 108 ] Otros modos de desintegración D + s descubiertos por CLEO son p n , [ 109 ] ωπ + , [ 110 ] η ρ + , η'ρ + , φρ + , [ 111 ] η π + , η'π + , [ 112 ] y φ l ν. [ 113 ] CLEO descubrió muchos bariones encantados y descubrió o mejoró la medición de muchos modos de desintegración de bariones encantados. Antes de que BaBar y Belle comenzaran a descubrir nuevos bariones charm en 2005, CLEO había descubierto trece de los veinte bariones charm conocidos: Ξ 0 c , [ 114 ] Ξ 0,+ c (2790), [ 115 ] Ξ 0,+ c (2815), [ 116 ] Ξ '0,+ c , [ 117 ] Σ 0,+,++ c (2520), [ 118 ] [ 119 ] Ξ + c (2645), [ 120 ] Ξ 0 c (2645), [ 121 ] y Λ + c (2593). [ 122 ] Los modos de desintegración de bariones charm descubiertos en CLEO son Ω 0 c → Ω − e + ν e ; [ 123 ] Λ + c → p K 0 η, Ληπ + , Σ + η, Σ *+ η, Λ K 0 K + , [ 124 ] Σ + π 0 , Σ + ω, [ 125 ] Λπ + π + π − π 0 , Λωπ + ; [ 126 ] y Ξ + c →Ξ 0 e + ν e . [ 127]

Quarkonium

Los estados de quarkonio proporcionan información experimental para los cálculos de QCD en la red y QCD no relativista. CLEO estudió el sistema Υ hasta el final de los experimentos CUSB y CUSB-II, [ 128 ] luego regresó al sistema Υ con el detector CLEO III. CLEO-c estudió los estados ψ de menor masa. CLEO [ 19 ] y CUSB [ 20 ] publicaron sus primeros artículos consecutivamente, informando la observación de los tres primeros estados Υ. Las afirmaciones anteriores del Υ(3S) [ 129 ] se basaban en ajustes de un pico con tres componentes; la observación de CLEO y CUSB de tres picos bien separados disipó cualquier duda restante sobre la existencia del Υ(3S). El Υ(4S) fue descubierto poco después por CLEO [ 19 ] y CUSB [ 22 ] y se interpretó como desintegrado en mesones B debido a su gran ancho de desintegración . Un exceso de electrones [ 23 ] y muones [ 24 ] en el Υ(4S) demostró la existencia de desintegraciones débiles y confirmó la interpretación de que el Υ(4S) se desintegra en mesones B. CLEO [ 130 ] y CUSB [ 131 ] informaron posteriormente la existencia de los estados Υ(5S) y Υ(6S).

CLEO I a CLEO II tuvo una competencia significativa en la física de Υ, principalmente de los experimentos CUSB, Crystal Ball y ARGUS. Sin embargo, CLEO pudo observar una serie de desintegraciones de Υ(1S): τ + τ − , [ 132 ] J/Ψ X [ 133 ] y γ X X con X = π + , π 0 , [ 134 ] 2π + , π + K + , π + p, 2K + , 3π + , 2π + K + , y 2π + p. [ 135 ] Las desintegraciones radiativas son sensibles a la producción de glueballs .

CLEO recopiló más datos en las resonancias Υ(1-3S) al final de la era CLEO III. CLEO III descubrió el estado Υ(1D), [ 136 ] las transiciones χ b1,2 (2P)→ωΥ(1S), [ 137 ] y las desintegraciones Υ(3S)→τ + τ − [ 138 ] entre otras.

CLEO-c midió muchas de las propiedades de los estados de charmonio. Los aspectos más destacados incluyen la confirmación de η c ', [ 139 ] la confirmación de Y(4260), [ 140 ] las desintegraciones pseudoescalares-vectoriales de ψ(2S), [ 141 ] las desintegraciones ψ(2S)→J/ψ, [ 142 ] la observación de trece nuevas desintegraciones hadrónicas de ψ(2S), [ 143 ] la observación de h c ( 1 P 1 ), [ 144 ] [ 145 ] y la medición de la masa [ 146 ] y las fracciones de ramificación [ 147 ] de η en la desintegración ψ(2S)→J/ψ.

leptones tau

CLEO descubrió seis modos de desintegración del τ:

CLEO midió la vida media de τ tres veces [ 154 ] [ 155 ] [ 156 ] con una precisión comparable o mejor que cualquier otra medición en ese momento. CLEO también midió la masa de τ dos veces. [ 157 ] [ 158 ] CLEO estableció límites en la masa de ν τ varias veces, aunque el límite de CLEO nunca fue el más estricto. [ 158 ] [ 159 ] [ 160 ] [ 161 ] [ 162 ] Las mediciones de CLEO de los parámetros de Michel [ 163 ] fueron las más precisas para su tiempo, muchas por un margen sustancial.

Otras mediciones

CLEO ha estudiado la física de dos fotones , donde tanto un electrón como un positrón emiten un fotón. Los dos fotones interactúan para producir un mesón vectorial o pares hadrón-antihadrón. CLEO publicó mediciones tanto del proceso del mesón vectorial [ 164 ] [ 165 ] [ 166 ] [ 139 ] [ 167 ] [ 168 ] como del proceso hadrón-antihadrón. [ 169 ] [ 170 ] [ 171 ]

CLEO realizó un escaneo de energía para energías del centro de masa entre 7  GeV y 10  GeV para medir la razón de la sección transversal hadrónica . [ 172 ] CLEO realizó las primeras mediciones de los factores de forma electromagnéticos π + y K + por encima de Q 2 > 4  GeV 2 . [ 173 ]

Finalmente, CLEO ha realizado búsquedas de partículas de Higgs y más allá del Modelo Estándar: bosones de Higgs, [ 174 ] [ 175 ] axiones, [ 176 ] monopolos magnéticos, [ 177 ] neutralinos, [ 178 ] partículas con carga fraccionaria, [ 179 ] squarks bottom, [ 180 ] y familones. [ 181 ]

Colaboración

El diseño inicial de un detector para la región de interacción sur del CESR comenzó en 1975. Físicos de la Universidad de Harvard, la Universidad de Syracuse y la Universidad de Rochester habían trabajado en el sincrotrón de Cornell, y fueron la elección natural como colaboradores de Cornell. A ellos se unieron grupos de la Universidad de Rutgers y la Universidad de Vanderbilt, junto con colaboradores del LeMoyne College y el Ithaca College. [ 182 ] Otras instituciones fueron asignadas a la responsabilidad de los componentes del detector a medida que se unían a la colaboración. Cornell designó a un físico para supervisar el desarrollo de la parte del detector dentro del imán, fuera del imán y del imán mismo. [ 183 ] La estructura de la colaboración se diseñó para evitar las deficiencias percibidas en SLAC, donde se sentía que los físicos de SLAC dominaban las operaciones en virtud de su acceso al acelerador y al detector, así como a las instalaciones de computación y máquinas. [ 184 ] Los colaboradores eran libres de trabajar en el análisis de su elección, y la aprobación de los resultados para su publicación se realizaba mediante votación de toda la colaboración. El portavoz (y posteriormente los portavoces) también fueron seleccionados mediante votación de toda la colaboración, incluyendo a estudiantes de posgrado. [ 185 ] Los otros responsables de la colaboración fueron un coordinador de análisis y un gestor de operaciones, y posteriormente también un coordinador de software. [ 186 ]

El primer artículo de CLEO enumeró 73 autores de ocho instituciones. [ 21 ] La Universidad de Cornell, la Universidad de Syracuse y la Universidad de Rochester han sido miembros de CLEO durante toda su historia, y cuarenta y dos instituciones han sido miembros de CLEO en algún momento. [ 187 ] [ 188 ] La colaboración fue la más grande en 1996 con 212 miembros, [ 189 ] antes de que los colaboradores comenzaran a trasladarse a los experimentos BaBar y Belle. [ 190 ] El mayor número de autores que apareció en un artículo de CLEO fue 226. [ 191 ] [ 192 ] Un artículo publicado cerca del momento en que CLEO dejó de tomar datos tuvo 123 autores. [ 193 ]

Notas

  1. ↑ Berkelman (2004) págs. 136-146
  2. ↑ Berkelman (2004) pág. 24
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