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

Nowa jakość badań

Symulacja produkcji cząstki Higgsa w detektorze eksperymentu CNS

(C) CERN

Program doświadczalny, który będzie realizowany w eksperymentach przy budowanym obecnie w CERN zderzaczu Large Hadron Collider (LHC), wyznaczy kierunek rozwoju fizyki cząstek w latach 2007 - 2015.

Przy LHC będą działać cztery detektory. Każdy z nich budowany jest przy wielkiej współpracy międzynarodowej. Uczestniczą w nich polskie zespoły, budując detektory i uczestnicząc w przygotowaniu programu badań.

Poszukiwanie cząstek Higgsa

Dane doświadczalne z ostatnich 20 lat pokazały, że przewidywania Modelu Standardowego dotyczące oddziaływań elektrosłabych opisują je ze ogromną precyzją. Opis danych dla oddziaływań silnych jest trudniejszy, ale i tu chromodynamika kwantowa, będąca częścią Modelu, pozwoliła na spektakularny postęp. Aby w ramach tej teorii wytłumaczyć fakt, że elementarne cząstki materii mają niezerową masę, potrzebne jest istnienie jeszcze jednej cząstki, zwanej czastką Higgsa. W dotychczasowych eksperymentach, mimo ogromnych wysiłków, nie została jeszcze znaleziona. Poszukiwanie Higgsa będzie więc jednym z najważniejszych elementów programu naukowego LHC.

Poza Model Standardowy

Model Standardowy, nawet po odkryciu cząstek Higgsa nie będzie zamkniętą, ostateczną teorią fizyczną. Mimo że istniejące dane doświadczalne są zgodne z jego przewidywaniami, istnieją argumenty teoretyczne za istnieniem głębszej teorii przy wyższych energiach. Cechą wspólną teorii wykraczających poza Model Standardowy jest pojawianie się w nowych, ciężkich cząstek. Poszukiwanie ich jest ważnym składnikiem naukowego programu LHC.

Plazma kwarkowo-gluonowa

Głównym celem badań zderzeń ciężkich jąder o relatywistycznych energiach jest zrozumienie zachowania się materii jądrowej w ekstremalnych warunkach wysokich energii i wielkich gęstości, jakie najprawdopodobniej panowały zaraz po Wielkim Wybuchu. Istnienie nowego stanu skupienia materii - plazmy kwarkowo-gluonowej nie jest jednoznacznie potwierdzone przez doświadczenie. Możliwość wykorzystania zderzacza LHC do badania oddziaływań ciężkich jąder jest więc niesłychanie atrakcyjna.

Asymetria między materią i antymaterią

Przyczyna obserwowanej we wszechświecie asymetrii pomiędzy materią i antymaterią jest od wielu lat przedmiotem badań kilku eksperymentów, a mimo tego wciąż brak jest pełnej odpowiedzi. Ponieważ w zderzeniach protonów w LHC produkowanych będzie w ciągu roku aż 1012 neutralnych mezonów B-cząstek, których rozpady mogą dostarczyć informacji o przyczynach tej asymetrii - będzie ona przedmiotem badań w LHC. Trzeba jednak zdać sobie sprawę, że tylko jeden na sto tysięcy rozpadów tych cząstek dostarczy interesującej informacji.

Zderzacz LHC i przyszłe eksperymenty

Zderzacz LHC jest budowany w tunelu o obwodzie ok. 27 km, w którym mieścił się zderzacz LEP. Będzie to zderzacz proton-proton oraz jądro-jądro. Przy LHC budowane są 4 detektory: ogólnego przeznaczenia ATLAS i CMS oraz bardziej wyspecjalizowane ALICE, i LHCb. Najważniejsza część programu naukowego LHC będzie realizowana przez ATLAS (Instytut Fizyki Jądrowej i Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH z Krakowa) i CMS (Instytut Problemów Jądrowych i Instytut Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego). Detektor ALICE (z udziałem fizyków z wymienionych ośrodków oraz Politechniki Warszawskiej) budowany jest pod kątem badań oddziaływań jądro-jądro, a detektor LHCb (również z udziałem fizyków z obu ośrodków) dedykowany jest badaniom asymetrii między materią i antymaterią.

W każdej sekundzie w centralnych punktach detektorów zachodzić będzie około 40 milionów zderzeń paczek protonów, a w każdym takim zderzeniu produkowanych będzie średnio 1400 cząstek. Te trudne do wyobrażenia ekstremalne warunki, bez których fizyczny cel badań nie ma szans powodzenia, są nie lada wyzwaniem dla fizyków projektujących eksperymenty. Wystarczy sobie uświadomić, że detektory i aparatura je obsługująca narażona będzie na dawkę promieniowania dziesięciokrotnie większą niż obowiązujące "wojskowe normy" narażenia radiacyjnego elektroniki, a stukrotnie wyższa od granicy bezpieczeństwa dla aparatury wysyłanej w kosmos.

Drugim krytycznym wymaganiem jest miniaturyzacja elektroniki, konieczna ze względu na miliony,, elementów detekcyjnych w poszczególnych fragmentach aparatury pomiarowej w eksperymentach LHC. Nawet najbardziej zminiaturyzowane układy scalone dostępne na rynku czy specjalnie zaprojektowane dla celów badań kosmosu nie są w stanie spełnić warunków narzuconych w projektach eksperymentów na LHC. Przykładowo, dla detektorów krzemowych naszym rozwiązaniem są specjalnie zaprojektowane układy scalone, w których element detektora jest zintegrowany z 1500 kanałami elektroniki jego odczytu i ma rozmiary kilku centymetrów. Innym wyzwaniem jest mechaniczna precyzja rozmieszczenia tych kilkucentymetrowych płytek w kilkumetrowej konstrukcji detektora i zapewnienie stabilności położeń jego elementów przez lata.

Problem stwarza też ogromna ilość informacji do przetworzenia w bardzo krótkim czasie. Spośród 40 milionów zderzeń paczek protonów na sekundę, kandydatówna ciekawe oddziaływania będzie najwyżej kilkadziesiąt. Pozostałe przypadki muszą być odrzucone. Jak poznać, które są interesujące i jak błyskawicznie odrzucić resztę to zadanie dla fizyków projektujących systemy wyzwalania - elektroniczne układy, które podejmują decyzję: zaakceptować dane zdarzenie czy je odrzucić.

Do filtrowania, analizowania i przechowywania danych potrzebna jest ogromna moc obliczeniowa i pojemność dyskowa. Zapewnia to projekt światowego GRID dla fizyki, pozwalającego na wykorzystanie rozproszonych zasobów komputerowych.

Detektory dla LHC

Detektory eksperymentów ATLAS, CMS i ALICE, mają układ cylindryczny, charakterystyczny dla eksperymentów prowadzonych przy akceleratorach wiązek przeciwbieżnych. Całość przypomina cebulę budowaną wokół rury akceleratora. Detektor ALICE wyposażony jest w dodatkowe ramię z zadaniem lepszego pomiaru mionów. Detektor eksperymentu LHCb jest w tym zestawieniu małym, choć nie mniej wyrafinowanym detektorem, pokrywającym tylko mały fragment przestrzeni w pobliżu miejsca zderzenia wiązek.

Konstrukcja CMS jest oparta na solenoidalnym magnesie nadprzewodzącym. Cewka nadprzewodząca o długości ok. 12m i średnicy wewnętrznej ok. 6 m wytwarza jednorodne pole magnetyczne o indukcji 4T. Wewnątrz cewki znajduje się śladowy detektor centralny, kalorymetr elektromagnetyczny oraz kalorymetr hadronowy Na zewnątrz cewki znajdują się detektory mionów.

Detektor ATLAS opiera się na dużym powietrznym, nadprzewodzącym magnesie toroidalnym stanowiącym podstawę spektrometru magnetycznego dla pomiaru mionów o bardzo dużych pędach. W magnesie znajduje się detektor wewnętrzny, którego sercem jest układ detektorów krzemowych o łącznej powierzchni 55 m2, obsługiwany przez ponad 6 milionów kanałów elektroniki odczytu.

Zasadniczymi elementami detektora ALICE są: krzemowy detektor wierzchołka, komora projekcji czasowej, detektor promieniowania przejścia, liczniki czasu przelotu, pierścieniowe detektory Czerenkowa i spektrometr fotonowy. Całość umieszczona jest wewnątrz magnesu.

LHCb jest jednoramiennym spektrometrem do obserwacji produktów oddziaływań wiązek przeciwbieżnych wyprodukowanych pod małymi kątami.

Wkład zespołów polskich

Istotnym elementem przygotowań do eksperymentu są symulacje procesów fizycznych oraz odpowiedzi detektorów, jak i algorytmy selekcji i zapisu informacji. W Krakowie powstał powszechnie używany pakiet do szybkiej symulacji ATLAS, oraz algorytmy poszukiwania cząstki Higgsa, a także projekt i symulacja systemu wyzwalania i akwizycji danych detektora ATLAS.

Zespół warszawski w eksperymencie CMS opracował metody poszukiwań wielu nowych cząstek przewidywanych przez różne teorie spoza Modelu Standardowego. Zanalizował możliwość badania asymetrii między materią i antymaterią na podstawie rozpadu mezonu B oraz bardzo aktywnie uczestniczy w tworzeniu oprogramowania dla eksperymentu.

Grupy polskie w ALICE miały udział w tworzeniu jednolitego środowiska programistycznego do symulacji i analizy danych w projekcie konstrukcyjnej bazy danych oraz w pracach nad systemami zbierania danych i monitorowania detektora.

W eksperymencie LHCb polskie zespoły wniosły wkład w rozwój oprogramowania dla systemu filtracji, jak i analizy danych.

Jeśli idzie o elekronikę detektora CMS, to zespół warszawski zaprojektował, przetestował i obecnie buduje system elektroniki wyzwalania na miony zasadniczy dla realizacji programu naukowego. Dzięki ogromnemu postępowi technologii algorytm wyzwalania jest oparty na dostępnych komercyjnych procesorach.

W środowisku oddziaływań LHC krytyczny jest wewnętrzny detektor śladowy. Wkładem zespołu krakowskiego w projekt i budowę detektora ATLAS są prace nad odpornymi na promieniowanie krzemowymi detektorami i wyspecjalizowanymi układami scalonymi. Prowadzone są testy układów hybrydowych. Wykonano projekt, testy, układy sterowania i oprogramowanie systemu zasilaczy wysokiego napięcia, które budowane są przez polską firmę FIDELTRONIK. Zespół ma również wkład w budowę układu kontroli i monitorowania detektora.

W eksperymencie ALICE polskie zespoły mają udział w pracach dla dwóch podstawowych detektorów - kalorymetru elektromagnetycznego i komory projekcji czasowej.

W eksperymencie LHCb zespół polski pracuje nad elektroniką do synchronizacji detektora z akceleratorem oraz nad prototypem koncentratora do przesyłania danych.

Prace mechaniczne

Za koordynację systemów gazowych i systemów chłodzenia w całym detektorze, projektowanie wsporników pod kalorymetr i opracowanie metod instalacji komór mionowych w ATLAS odpowiadają Polacy. Podpory dla eksperymentu ATLAS wykonała polska firma Budimex S.A Mostostal Kraków, przy współpracy z Hutą im. T. Sendzimira.

Dla eksperymentu ALICE inżynierowie z Politechniki Krakowskiej wykonali zaawansowane obliczenia mechaniczne elementów detektora.

Panele modułów detektora dla LHCb w ultralekkiej technologii wykonywane są w Krakowie. Warszawski IPJ buduje ok. jednej czwartej detektorów do pomiarów torów cząstek.

JAN KRÓLIKOWSKI,
INSTYTUT FIZYKI DOŚWIADCZALNEJ UW
MAREK KOWALSKI, MARIUSZ SAPIŃSKI, MARIUSZ WITEK
INSTYTUT FIZYKI JĄDROWEJ PAN
MARIA SZEPTYCKA
INSTYTUT PROBLEMÓW JĄDROWYCH