RZECZ O ... dodatek do gazety Rzeczpospolita z 19 października 2004 r.

Od kolejki do detektorów

Duże komory dryfowe wykonane w IFJ PAN dla eksperymentu NA11

Precyzyjny krzemowy detektor wierzchołków oddziaływań i rozpadów wykorzystywany w eksperymencie DELPHI w latach 1989 - 1994 (C) IFJ KRAKÓW

Historia detektorów jest tak długa, jak historia fizyki doświadczalnej. Wynika to z samego pojęcia tej dziedziny: do przeprowadzenia doświadczeń potrzebne są urządzenia pomiarowe, w tym detektory.

Wprawdzie fizyka cząstek ma raptem 100 lat (niedawno obchodziliśmy 100-lecie odkrycia elektronu), ale nie sposób ująć tę historię w kilku zdaniach. W ogromnym skrócie można powiedzieć, iż pierwsze obserwacje cząstek i ich oddziaływań były prowadzone metodami wizualnymi i rejestracja zderzeń następowała za pomocą klisz lub filmów fotograficznych. W latach 60. ubiegłego wieku, kiedy pojawiły się elektronika półprzewodnikowa i komputery, nastąpiło stopniowe przejście na elektroniczne techniki rejestracji cząstek.

Wkład zespołów polskich w przygotowanie strony technicznej eksperymentów, przeprowadzanych w CERN z pomocą emulsji fotograficznych czy komór pęcherzykowych, był raczej niewielki. W sferze anegdotycznej można wymienić wykorzystanie na początkuGierula, W. Wolter) kolejki elektrycznej, kupionej w sklepie z zabawkami, do transportu klisz fotograficznych do naświetlania ich cząstkami wyprodukowanymi przez zderzające się w akceleratorze ISR (Intersecting Storage Rings) protony. Ten przykład pokazuje, iż w fizyce doświadczalnej każdy pomysł i każde praktyczne rozwiązanie jest dopuszczalne.

Lata 70. to wspaniały rozwój komór wielodrutowych, proporcjonalnych i dryfowych, w których wyładowania towarzyszące przelatującym cząstkom są rejestrowane elektronicznie i zapisywane w komputerach. Za te prace w roku 1992 G. Charpak z CERN otrzymał Nagrodę Nobla. Wkład w rozwój tych detektorów, często współpracując z mistrzem, wnieśli polscy fizycy. Technika ta znalazła w Polsce dobry grunt i wiele detektorów było opracowanych i wyprodukowanych w polskich warsztatach.

Eksperymenty z elektroniczną rejestracją danych wymagają specjalnej elektroniki odczytu oraz komputerów. W latach 80. elektronika o dużej skali integracji wkroczyła do fizyki, stwarzając warunki do wykorzystania precyzyjnych detektorów. Krakowscy fizycy odegrali dużą rolę w budowie detektorów służących do pomiaru oddziaływań w eksperymentach DELPHI i ATLAS.

Specjalny rodzaj detektorów to liczniki do identyfikacji (określania masy) i pomiaru energii cząstek. Eksperyment DELPHI, przeprowadzany w CERN w latach 1989 - 2000 na akceleratorze LEP, koncentrował się na pomiarach tego typu, a w budowę liczników RICH (Ring Imaging Cherenkow) oraz HPC (High Density Time Projection Chamber) duży wkład wnieśli pracownicy IFJ i IPJ. Powstały imponujące urządzenia, które sprawdziły się w eksperymentach i które już niedługo będzie można oglądać w cernowskim muzeum.

Obecnie polscy fizycy i inżynierowie są zaangażowani w przygotowanie aparatury do eksperymentów ALICE, ATLAS, CMS oraz LHCb na nowo budowanym akceleratorze protonowym zderzających się wiązek. Ten projekt, ukierunkowany na poszukiwanie nowych cząstek i stanów materii, stawia nowe wyzwania, takie jak ogromna liczba zderzeń na sekundę, duże krotności cząstek w zderzeniu, bardzo duże dawki promieniowania, ogromna ilość informacji do przefiltrowania. Problemy te wymagają często nowych rozwiązań technologicznych, z którymi zmagają się również polscy fizycy i inżynierowie.

Doświadczenia zdobyte przez polskich fizyków i inżynierów w CERN wykorzystywane są w budowie aparatury pomiarowej do innych badań i zastosowań:

- Fizycy z IFD UW pracują nad urządzeniami obrazującymi dla medycyny, wykorzystującymi zasady gazowych liczników proporcjonalnych.

- Krakowscy fizycy i inżynierowie zaangażowani są w prace nad wykorzystaniem pozycyjnych detektorów krzemowych w fizyce jądrowej i ciała stałego oraz dla zastosowań w radiobiologii (bioscop) i medycynie (tomograf Comptona).

- Zespoły z IFJ PAN, Instytutu Elektroniki AGH oraz Instytutu Technologii Elektronowej zaangażowane są w realizację projektu Unii Europejskiej zwanego SUCIMA (Silicon Ultra Fast Cameras for Electron and Gamma Sources in Medical Applications), mającego na celu obrazowanie dawek promieniowania wykorzystywanego w medycynie.

- Inżynierowie z WFiTJ AGH budują specjalne układy scalone do odczytu sygnałów z komórek nerwowych.

- Doświadczenia transferu dużych ilości danych i ich opracowywania w czasie rzeczywistym są wykorzystywane w astrofizycznym eksperymencie poświęconym m.in. badaniom poświaty towarzyszącej rozbłyskom gamma.

M. SZEPTYCKA, INSTYTUT PROBLEMÓW JĄDROWYCH IM. ANDRZEJA SOŁTANA
M. TURAŁA, INSTYTUT FIZYKI JĄDROWEJ IM. HENRYKA NIEWODNICZAŃSKIEGO PAN