ALICE - první fyzikální publikace

Nové výborné zprávy z urychlovače LHC

Vladimír Wagner

ÚJF AVČR Řež a FJFI ČVUT Praha

První zprávou je, že urychlovač LHC dne 29. listopadu poprvé urychloval protony a po půlnoci dalšího dne dosáhl nového světového rekordu, když o „chlup“ překonal stávají rekord urychlovače Tevatron v laboratoři Fermilab (USA). Druhá se týká první publikace s fyzikálními výsledky urychlovače LHC, která byla vypracována na základě analýzy dat získaných při předchozích testech srážení protonů za nižších energií týmem experimentu ALICE.

Předminulý týden jsem čtenáře Osla mohl informovat o opětném spuštění urychlovače LHC a prvních srážkách protonů, které byly v místech jednotlivých detektorů. V té době se prvních srážek dočkal i experiment ALICE. Toto srážení pouze dvou shluků protonů, které proběhlo 23. listopadu, trvalo pouhých čtyřicet minut. Shluky obsahovaly řádově pouze miliardu protonů. Přesto se však detektorům experimentu ALICE podařilo zaznamenat 284 případů srážky dvojice protonů.

První zaznamenaný kandidát srážky dvou protonů s energií 450 GeV zaznamenaný vnitřními dráhovými detektory experimentu ALICE. Růžově jsou vyznačeny pixlové detektory, modře stripové a zelenkavě driftové. Čárami jsou vyznačeny dráhy nabitých částic zrekonstruované z informací těchto detektorů (Zdroj ).

Srážející se protony měly v tomto případě energii 450 GeV, kterou si přinesly z předurychlovače SPS. Protony letí proti sobě, každý se stejnou kinetickou energií, a proto je dostupná energie srážky 900 GeV. Velmi dlouhá a pečlivá příprava, která umožnila vyladění a kalibraci detektorů ALICE a otestování programů pro sběr a analýzu dat, se vyplatila. Už při tomto neplánovaném srážení svazků v místě ALICE bylo možné získat první fyzikální data a ověřit naše představy o počtu produkovaných nabitých částic při takto vysokých energiích. Analýza byla provedena z identifikace a rekonstrukce srážky pomocí tří soustav vnitřních dráhových detektorů a soustavy scintilačních detektorů umístěných okolo místa srážky.

Systém vnitřních dráhových detektorů experimentu ALICE před jejich zasunutím na konečnou pozici (zdroj CERN).

Polovodičové dráhové detektory

V případě vnitřních dráhových detektorů se jedná o polovodičové křemíkové detektory. Hlavní jejich částí je velmi tenká křemíková destička tloušťky v řádu stovek mikrometrů a rozměrů zhruba desítek centimetrů. V ní jsou umístěny elektrody, které vytváří přesný tvar elektrického pole. Při průletu křemíkovým dráhovým detektorem nabitá částice ionizuje a uvolňují v polovodiči elektrony. Elektrické pole svádí elektrony k elektrodám a elektrický signál, který se tak na nich vytvoří, nás informuje, kterým místem křemíkové destičky nabitá částice proletěla. Jestliže z těchto detektorů, postavených zhruba kolmo k předpokládanému letu částic, vytvoříme řadu vrstev, můžeme získat přesnou informaci o dráze částic v prostoru s přesnosti na stovky až desítky mikrometrů v určení této dráhy.

Alice využívá tři typy křemíkových dráhových detektorů:

Křemíkové pixelové detektory mají elektrody ve tvaru „buněk“ – pixelů. Informace o místě průletu nabité částice je dána polohou elektrody, na které vznikne signál. Mají největší hustotu elektrod a nejlepší prostorové rozlišení. Jsou však výrobně i finančně nejnáročnější.

Křemíkové stripové detektory mají elektrody ve tvaru proužků. Dvojrozměrné rozlišení se dosahuje tak, že na horní straně křemíkové destičky jsou proužky vedeny v jednom směru a na spodní pak ve směru kolmém. Pozice je tak dána překřížením elektrod, ve kterých vznikne signál.

Křemíkové driftové detektory mají elektrody ve tvaru linky. Jedna souřadnice je tak dána polohou elektrody a druhá pak časem trvání driftu elektronů. U ALICE je místo srážky obklopeno třemi vrstvami každého ze zmíněných typů detektorů. Nejblíže středu jsou pixelové detektory, uprostřed stripové a nejdále driftové. Dohromady tak máme devět vrstev, které vytváří systém vnitřních dráhových detektorů. S velmi dobrým rozlišením se díky němu daří určovat dráhy nabitých částic v nejbližším okolí místa srážky. A právě tento systém byl využit k analýze počtu nabitých částic produkovaných v prvních srážkách na urychlovači LHC. Podrobnější popis i dalších detektorů využívaných experimenty na urychjlovači LHC jsem už na Oslovi uveřejnil.

Křemíkový driftový detektor, křemíková destička s elektrodami je ve středu a po stranách je vyčítací elektronika, která zpracovává a posílá dál signály z detektoru (zdroj CERN).

Dovolil bych si zdůraznit, že významná účast českých fyziků z Ústavu jaderné fyziky AVČR a Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT je právě spolu s našimi italskými kolegy na systému křemíkových driftových detektorů. Účastnili jsme se jeho instalace, testů detektorů a zajišťujeme i jejich provozování během experimentů. Tyto detektory jsou napájeny nízkovoltovými zdroji vyrobenými malou českou firmou AREM pro. Jejich vývoj nebyl vůbec jednoduchý, neboť zdroje nemohou být blízko místa srážky, kde je příliš velká radiace. A napájení i z velké vzdálenosti musí být rychle reagující, stabilní a nesmí ovlivňovat práci velice citlivých detektorů. Navíc, i když jsou relativně daleko, přesto musí mít dost vysoký stupeň radiační odolnosti. A právě ta byla třeba testována v našem ústavu s využitím našeho cyklotronu.

Jeden z prototypů nízkovoltového napájecího zdroje pro křemíkové driftové detektory z firmy AREM pro.

Co se zjišťovalo?

První zajímavou informaci, kterou lze při studiu srážek protonů při vysokých energiích získat, je střední počet produkovaných nabitých částic. Ty se lehce detekují a identifikují. Tato fyzikální veličina je důležitá a studuje se jako první na každém novém urychlovači, který se dostane k vyšším energiím než jeho předchůdci. V současné době máme díky údajům z urychlovače Tevatron slušnou představu jak se mění střední počet produkovaných nabitých částic až po energii srážky téměř 2000 GeV. Pomocí různých modelů je pak možné ji extrapolovat pro energii, kterou doufáme dosáhnout na LHC. Ovšem je to pouze extrapolace a tak každá dodatečná informace pro energie srážky, které se blíží nebo přesahují hodnotu 1000 GeV jsou velmi důležité. To si uvědomovali i fyzikové na ALICI. Proto se velmi intenzivně připravovali na rychlou analýzu prvních experimentálních dat, aby tuto informaci co nejrychleji získali. Pomocí kosmického záření co nejpřesněji kalibrovali detektory, tisíce hodin věnovali přípravě analyzačních programů a simulací průběhu sběru a rychlé analýzy dat.

Nyní už je jasné, že se toto obrovské úsilí vyplatilo. Tým ALICE mohl rychle zareagovat na možnost nabízenou testem čtyřiceti minut srážení protonů v místech tohoto experimentu, „Stačilo“ už teď „jen několik“ probdělých nocí a dní klíčových lidí a první fyzikální publikace urychlovače LHC je na světě a odeslána do časopisu European Journal of Physics C - Particles and Fields. Zatím je zveřejněna na internetovém preprintovém serveru pro články věnované fyzice vysokých energií pod označením arXiv:0911.5430

Rozložení poloh srážky určené pomocí rekonstruovaných drah nabitých částic. Vlevo nahoře jde o polohu v rovině kolmé na směr letu protonů svazku. Vpravo nahoře rozložení poloh v ose ve směru pohybu svazků a dole v jednotlivých osách kolmých ke směru pohybu svazku. Je vidět, že ke srážkám docházelo v dobře definované oblasti (zdroj )

Co může tak malý počet srážek říci, aby to stálo za publikaci v tak prestižním fyzikálním časopise? Až do současnosti byl jediný urychlovač, který umožňoval srážky protonů s dostupnou energií vyšší než 500 GeV pouze urychlovač Tevatron. Jedná se tak o první nezávislé potvrzení jeho výsledků v této oblasti. Navíc v případě Tevatronu se sráží proton s antiprotonem. Urychlovač LHC tedy poprvé studuje srážky protonu s protonem při tak vysokých energiích. Nepředpokládá se, že by se počet produkovaných nabitých částic pro tyto dva typy srážek nějak významně lišil, ale přesto je důležité tento předpoklad experimentálně ověřit. Data z experimentu ALICE potvrdila, že počty produkovaných částic odpovídají předpokladům. Na ukázaném obrázku je vidět, že souhlasí s výsledky získanými pomocí experimentů na urychlovači Tevatron. To je dobrý signál i z toho důvodu, že to podporuje správnost extrapolace do vyšších energií. A tedy hustoty počtu částic by měly být v oblasti, na kterou jsou detektory všech experimentů LHC stavěny.

Důležitým sdělením článku je i to, že ALICE je připravena pro experimentování a přinejmenším systém vnitřních dráhových detektorů je plně pod kontrolou a fyzikové, kteří se o něj starají jsou schopni rychle analyzovat jeho data. Je to také určitě velké povzbuzení pro obrovský počet lidí, kteří se na budování a provozu experimentu ALICE podílejí. Být byť jen malou součástí tohoto velkého týmu je hodně motivující. Všichni se moc těšíme na zajímavé informace o světě velmi vysokých hustot energie, které nám všechny experimenty pracující s využitím svazků urychlovače LHC poskytnou.

Jako osoby zodpovědné za analýzu byli na směně experimentu ALICE, kde se podařilo získat data z prvních srážek protonů na LHC, Jan Fiete Grosse-Oetringhaus a naše kolegyně Dagmar Adamová. Snímek je z okamžiku, kdy začala přicházet první data ze srážek a začíná jejich analýza. Analýzu dat měl „na svědomí" právě Jan Fiete Grosse-Oetringhaus, expert na analýzu dat z prvních srážek (zdroj ALICE CERN)

Urychlovač LHC už urychluje

Ještě důležitější úspěch spojený s urychlovačem LHC se dosáhl v neděli 29. listopadu. Poprvé se na něm podařilo urychlovat protony, které přicházejí z předurychlovače SPS s energií 450 GeV. Těsně po půlnoci následujícího dne se pak podařilo protony v obou směrech urychlit až na energii 1180 GeV, což je více, než byl stávající rekord urychlovače Tevatron. Ten urychluje protony a antiprotony na energie 980 GeV. Urychlovač LHC tak o chlup překonal urychlovač Tevatron a stal se tak novým světovým rekordmanem, který dokáže dodat protonům nejvyšší energie. Jedná se o velmi důležitý krok na cestě k jeho stabilnímu fyzikálnímu provozu. Je perfektní, že se jej podařilo dosáhnout tak rychle po opětném začátku spouštění urychlovače LHC. Nyní se bude ladit urychlování a srážení protonů při této energii, která poskytuje při srážce dostupnou energii 2360 GeV. První srážky v místech experimentů se očekávají již ve středu. Dá se předpokládat, že jednotlivé experimenty využijí provozu v těchto podmínkách nejen ke kalibraci detektorů a ladění všech systémů, ale i pro získání fyzikálně relevantních dat. Prvními krůčky se totiž dostáváme do dosud neprobádaných oblastí.

Hustota produkovaných částic v závislosti na vzrůstající energii, která je při srážce dostupná. Vyznačeny jsou data pro dva typy srážek. Zobrazeny jsou výsledky experimentu s proton-protonovými srážkami na ISR v laboratoři CERN při relativně nízkých energiích, experimentů UA1, UA5 a CDF, které využívaly srážek protonu a antiprotonu urychlených pomocí urychlovače Tevatron, a experimentu ALICE ve srážkách protonu s protonem využívajícím urychlovač LHC. Šipkou je oznčena maximální plánovaná energie dostupná při srážkách na LHC (zdroj )

Tento příspěvek bych rád věnoval památce Pavla Reháka, jednoho z významných českých jaderných fyziků. Jako expert na křemíkové dráhové detektory, který byl duší jejich využívání v laboratoři v Brookhavenu, byl i jedním z iniciátorů toho, že se česká skupina experimentu ALICE začala podílet na jejich využití v tomto experimentu.

V Řeži 1.12.2009