1

Detektory pro LHC:

ATLAS and CMS

Fyzici prošli dlouhou cestu od urychlovačů poslepovaných pečetním voskem jako byl první cyklotron, který vynalezl a postavil za asi 25$ Ernest Lawrence v roce 1930,k obrovským urychlovačům v ceně okolo 1 G$ skrytých v podzemních tunelech jako je budovaný LHC v CERN ...

Howard Gordon, Brookhaven National Laboratory, Jiří Dolejší, Charles University Prague

Replika of Lawrenceova cyklotronu v CERNském Microcosmu

2CERN Large Hadron Collider, plánované spuštění 2008

3Spolupráce generací CERNských urychlovačů

4

Existují ony extra dimenze předpovídané

některými teoretiky?

Docela jednoduchá otázka také může znít: Je příroda zcela popsána současným standardním modelem? Není potřeba nic dalšího? Těžko můžeme odpovědět, že ano! Nové urychlovače a experimenty jsou tak obrovské a drahé, aby umožnily průzkum nových oblastí energie a studium extrémně vzácných procesů ― jestliže se nám dodnes nezdařilo něco zpozorovat, měli bychom si vytvořit šanci to uvidět zítra. LHC se postará o urychlení částic, ale jejich interakce potřebujeme studovat ― potřebujeme vhodné detektory. Pojďme se na ně podívat.

Proč vlastně fyzikové staví taková obrovská a drahá zařízení?

... Protože je před námi stále mnoho nezodpovězených otázek, jako například:

Co dává částicím

jejich hmotu?

Kde je očekávaný

Higgsův boson?

Existují předpovězené supersymetrick

é částice?

5

Tady je jeden z nich:

ATLAS

22 m

44 m

A Toroidal LHC ApparatuS

6

A tady druhý:

CMS

15 m

22 m

Compact Muon Spectrometer

7

Musí se vypořádat se všemi částicemi vylétajícími ze srážky urychlených protonů.

Proč jsou detektory pro LHC tak veliké???

Protony ve skutečnosti nejsou jen dva jako na animaci, ale je jich spousta, uspořádaných do shluků:

2808 shluků v každém svazku,1,15×1011 protonů v každém shluku, odstup shluků 25 ns což odpovídá vzdálenosti 7.5 m (místo některých shluků jsou jen mezery)

8

Každý střet dvou shluků znamená průměrně 23 proton-protonovýchsrážek. Střední počet částic, které se narodí ve všech těchto srážkách, je zhruba 1500. Detektor by měl zachytit co nejvíce z nich.

Na místo srážky „dohlíží“ detektor.

Některé částice právě prchly z oblasti srážky, další srážkabezprostředně hrozí.

Detektor by měl:• zachytit co nejvíce částic • být přesný• být rychlý (a laciný a ...)

Bohužel jsem línýkreslit 1011 protonů v každém shluku ... Každý proton nese energii 7 TeV,

takže každý shluk s 1011 protony nese energii 1011×7×1012 eV = 7×1023 eV = 112 kJ. To je makroskopická energie !!! Takovou energii by mělo auto s hmotností 1200 kgpři rychlosti 50 km/h!

9

Bod srážky obklopený vrstvami různých (sub)detektorů.

Bod srážky je sledován detektorem, v této ilustracispousta částic detekci uniká.

Skutečný detektor by neměl mít žádné „díry“ a měl by letícím částicím vystavovat dostatečně tlustou vrstvu materiálu, aby je zachytil. (to chce rozumět procesům, které se dějí při průchodu částic látkou).

10

Elektron s vysokou energií vyzařuje fotony, které se konvertují na elektron-pozitronovépáry, které zase vyzařují fotony, které ...To je elektromagnetická sprška.

Podívejme se na interakci různých částic se stejnou energií (zde 300 GeV) ve velkém bloku železa:

elektron

mion

pion (nebo jiný hadron)

Miony s vysokou energií převážně jen ionizují

Pion se sráží s jádrem železa, a v této silné interakci se rodíněkolik nových částic, které opět interagují s dalšími jádry železa,rodí další nové částice ... To je hadronová sprška. Z rozpadů hadronů také občas vylétají miony.

Elektrony and pionyse svými “potomky”jsou skoro úplněpohlceny v dosta-tečně velkémželezném bloku..

1m

11

Pokuste se odpovědět na následující otázky: Jak asi interagují vysokoenergetické fotony? A jak asi neutrální piony, které se rozpadají velmi rychle na dva fotony (jejich střední doba života je jen 8×10-17 s, c = 25 nm)? Možná byste mohli pomyslet na elektromagnetické spršky ...

Abychom trochu hlouběji pochopili elektromagnetické a hadronovéspršky, je užitečné si vzpomenout na exponenciálně klesající pravdě-podobnost, že částice přežije let do hloubky t terče bez interakce nebo bez absorpce (podívejte se do kapitoly „Experiment v částicové fyzice“):

kde jsme zavedli interakční délku . Tato veličina určuje střední vzdálenost mezi srážkami hadronů s jádry materiálu a tak určuje, kde hadronová sprška pravděpodobně začne a jak rychle se bude vyvíjet.Radiační délka X má podobný význam při rozvoji elektromagnetické spršky – určuje střední dráhu elektronu do vyzáření fotonu a také střední dráhu fotonu před konverzí na elektron-pozitronový pár. Podívejte se na konkrétní hodnoty pro několik materiálů:

Stránky pro experty! Můžete je přeskočit, ale co to zkusit ?

)(beam tN

t

)/exp().0()exp().0()( beamtargetbeambeam tNtnNtN

Materiál Radiační délka X Jaderná interakční délka

voda 36,1 cm 83,6 cm

železo 1,76 cm 16,9 cm

olovo 0,56 cm 17,1 cm

12

Přehled konstrukce současných detektorů slibující zachycení téměř všech částic:

elektron

mion

hadrony

Vnitřní dráhový detektor: Minimum materiálu, jemná seg-mentace aby bylo možné měřit přesně body na drahách částic.

Electromagnetický kalorimetr: nabízí materiál pro rozvojelektromagnetických spršeka měří absorbovanou energii.

Hadronový kalorimetr: nabízí svůj materiál pro rozvojhadronových spršek a měří energii,kterou v něm částice zanechají.

Mionový detektor: nepokouší se miony zachytit, ale zazname-nává jejich dráhy.

Neutrina utíkají nezpozorována.

Magnetické pole zahýbá dráhy částic apomáhá měřit jejich hybnosti.

13

Všechny detektory obalují trubku se svazky částic a místem srážky: Vlevo je hodně schematický a vpravo trochu méně schématický řez ATLASem.

Elektromagnetický kalorimetrVnitřní dráhový detektor

Hadronový kalorimetr Mionový detektor

14

ATLAS a CMS užívají tytéž principy, ale liší se v realizaci.

ATLAS CMSVnitřní dráhový detektor

Křemíkové pixely, Křemíkové stripy, detektor využívající přechodové záření, magnetické pole 2T.

Křemíkové pixely, Křemíkové stripy.magnetické pole 4T.

Elektromagne-tický kalorimetr

Olověné desky v roli absorbátoru a tekutý argon jako aktivní médium

Krystaly PbWO4 jako absorbátory a současně scintilátory

Hadronový kalorimetr

Železný absorbátor s plasto-vými scintilujícími dlaždicemi v centrální oblasti, měděný a wolframový absorbátor s te-kutým argonem blízko svazku.

Absorbátor z nerezové oceli a mědi s plastovými scintilátory jako detektory

Mionový detektor

Velký toroidální magnet s mionovými komorami tvoří vnější část celého ATLASu.

Miony měřeny už v centrál-ním poli, další mionové ko-mory vloženy do železa tvořícího magnetické jho.

15

Zvědavost probádat

neprobádané

Výzva teoretickýc

h předpovědí

Takže proč jsou detektory pro LHC tak obrovské???

Je tu mnoho

naléhavých otázek

Cesta do neznáma - k vyšším energiím

LHC, 7+7 TeV

Je třeba zachytit a analyzovat mnoho velmi ener-getických částicATLAS a CMS

v jejich komplexnosti

16

Detektory budou zaznamenávat srážky protoných shluků každých 25 ns, tj. s frekvencí 40 MHz. Celkem 23 pp srážek při každém potkání shluků znamená frekvenci pp srážek skoro 1 GHz. Několik GHz je frekvence současných procesorů, takže jak bude možné sbírat a obrábět data z takového obrovského detektoru???

Je dobré si uvědomit, že nové shluky částic přilétají do oblasti srážky rychlostí světla, ale signály z detektoru sev kabelech pohybují vždycky pomaleji. Takže můžeme očekávat, že data z detektoru se budou uvnitř hromadit a že detektor dříve či později exploduje. Skoro každý student zná ze seminářů či přednášek pocit, že jeho hlavahrozí explozí.

Jka z detektoru získat data?

Chmurný osud ATLASu po

získání prvních dat?

Řešení je docela lidské – soustředit se na nejzajímavější události a zapomenout na všechny ostatní. Tento postup zajišťuje tzv. trigrovací systém. Trigger plánovaný pro ATLAS má tři úrovně a v těchto třech krocích redukuje původní frekvenci pp srážek na konečných zhruba 100 – 200 „událostí“ (pp srážek) každou sekundu, které jsou uschovávány. Z jedné události je asi 1 MB dat.

17

Objem dat velmi rychle poroste – více než 100 MB za sekundu, okolo 10 TB za den, 1 PB (1015 B) za rok. To se dá přeložit na počet běžných médií – ATLAS by pro uschování získaných dat potřeboval vypálit CD každých 7 s, tedy tisíc CD za den, více než milion za rok... Jak by se hledala jedna konkrétní zajímavá událost v této hromadě?

Počítačová kapacita potřebná k analýze této spousty dat přesahuje vše, co je dnes dostupné. Skupiny připravující experimenty na LHC aktivně spolupracují ve vývoji nových počítačových nástrojů pro budoucí potřeby. Řešením jsou distribuované počítačové kapacity a klíčové slovo je “grid” - síť. Toto slovo má analogický smysl jako např. rozvodná síť: distribuované požadavky na výpočetní kapacitu nebo data budou uspokojovány hierarchickou strukturou výpočetních center, viz obrázek na další stránce.

Co dělat s takovou hromadou dat?

Můžete namítat, že naše odhady jsou dosti hrubé. Počítali jsme s tím, že rok má 107 sekund místo skoro správných ×107 sekund. Očekává se ale, že experiment nepoběží a nebude nabírat data úplně celý rok.

18

19

Jak tyto velké kolektivy kolem experimentů pracují? Kdo to financuje? Kolaborace ATLAS čítá okolo 1850 fyziků a inženýrů ze 175 ústavů v 34 zemích. CMS má podobný seznam účastníků, často ze stejných zemí, který se nepřekrývá s ATLASem.

Každý ústav má odpovědnost za specifikované části, formalizované v dokumentech Memorandum of Understanding.

Finanční podporu poskytují grantové agentury jednotli-vých účastnických zemí.

20

21

Review

Review

Review

formulace požadavků Review

Oby tyto experimenty mají dobře definovanou demokratickou struk-turu pro řízení všech záležitostí.

Každý subdetektor prochází dobře dokumentovaným procesem:

příprava podrob-ných

technických specifikacíReview

výroba prototypů všech částí Review

nalezení a na-smlouvání dodavatelů

výroba

testování

instalace

schválenípoužití

22

Kolektivy fyziků a techniků se setkávají na poradách a řeší otáz-ky spojené s návrhem a stavbou detektoru. Porady se konají kde-koli po světě, často ale jen po telefonu nebo jako videokonfe-rence, nejčastěji však v CERNu.

23

Rozhodnutí a technické para-metry jsou dokumentovány v „Technical Design Reports“, všechny dokumenty a výkresy jsou dostupné na WWW, který byl vynalezen v CERNu.

The NEXT cube, počítač, na kterém běželprvní WWW server, v expozici Microcosma Tim Berners-Lee, který společně s Ro-bertem Cailliau vynalezli WWW.

24

Průmyslové společnosti z celého světa vyráběly součásti detektorů. Tyto součásti byly skládány a testovány v jednotlivých spolupracujících ústavech. Konečná instalace probíhala v CERNu za účasti spolupracujícíh týmů.

Jak vypadala stavba ATLASu?

Hadronový kalorimetrsestavovaný v podzemní jeskyniexperimentu ATLAS

Kryostat pro elektromagnetický kalorimetr používající tekutý argon.

Toroidální magnety mionového systému

25

ATLAS je sestaven a jeho funkce se ladí pomocí částic kosmického záření pronikajících do jeho jeskyně, neboť spouštění urychlovače LHC je po závažné poruše přerušeno do dubna 2009.

A co dnes?

Pohled do skoro zcelazaplněné jeskyně ATLAS

Pohled do kontrolní místnosti ATLAS

26

Pokračování příště … tohle jsou částice ze srážek prvního svazku v LHC

zaznamenané ATLASem.