Materiał dodatkowy - Narodowe Centrum Badań Jądrowych

Polski wkład do eksperymentu ATLAS
Krakowskie grupy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN, Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH oraz
Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UJ wchodzą w skład eksperymentu ATLAS na Wielkim
Zderzaczu Hadronów w CERN, jednego z dwóch wielkich eksperymentów które wspólnie ogłosiły
obserwację bozonu Higgsa, a tym samym potwierdziły eksperymentalnie istnienie postulowanej na gruncie
czysto teoretycznym cząstki elementarnej.
Grupy krakowskie są związane z eksperymentem ATLAS od samego jego początku, poprzez opracowanie
szczegółowego programu fizycznego, proces projektowy, konstrukcję, uruchamianie, aż po finalną analizę
zebranych danych.
Naukowcy z Krakowa byli aktywnie zaangażowani w opracowanie algorytmów poszukiwania bozonu
Higgsa oraz opracowali pakiet szybkiej symulacji detektora ATLAS, który umożliwił skuteczne wyłanianie
najbardziej efektywnych metod, tudzież optymalizację projektu samego detektora. Jedną z krakowskich
specjalności była i pozostaje fizyka ciężkiego leptonu tau. To tutaj opracowano metody rekonstrukcji i
identyfikacji tej cząstki oraz dokonano pierwszego pomiaru przekroju czynnego na produkcje par tau antytau w rozpadach bozonu Z oraz leptonowych rozpadów bozonu W, stanowiących główne tło dla poszukiwań
bozonu Higgsa. Obecnie, zespół krakowski jest nadal mocno zaangażowany w poszukiwania bozonu
Higgsa, również w scenariuszach rozszerzających tzw. Model Standardowy Cząstek Elementarnych.
Krakowscy fizycy i inżynierowie mają swój ogromny wkład w projektowanie i budowę detektora ATLAS.
Bardzo ważnym wkładem były prace nad odpornymi na promieniowanie krzemowymi detektorami cząstek
naładowanych. Wysoce wyspecjalizowane, nowatorskie układy scalone odczytu są nieomal wyłącznym ich
dziełem. Także w Krakowie zaprojektowano oraz oprogramowano system zasilaczy wysokiego napięcia dla
tego samego systemu detektorów krzemowych które, w wyniku wygranego przetargu, zostały wykonane w
Polsce, w firmie "Fideltronik", w ilości ok. 600 modułów (4800 poszczególnych zasilaczy), a wartość
kontraktu opiewała na ok. 1,4 M PLN. Krakowscy inżynierowie, wspólnie z kolegami z CERNu,
zaprojektowali podpory pod kalorymetr elektromagnetyczny "do przodu" (nośność 1800 ton, przesuwane na
poduszkach powietrznych), które zostały następnie wykonane przez firmę "Budimex/Dromex" (na terenie
ówczesnej Huty im. T. Sendzimira). Był to częściowo wkład "In-kind", a częściowo kontrakt komercyjny o
wartości ok. 1 M PLN. Zespół krakowski uczestniczył także w opracowaniu metody instalacji komór
mionowych, budowie układu kontroli i monitorowania detektora oraz odpowiada za koordynację systemów
gazowych i chłodzenia w całym detektorze.
Grupy krakowskie mają również ogromny wkład w zbieranie danych oraz ich rekonstrukcję i analizę.
Uczestniczą w opracowaniu i obsłudze systemu wyzwalania (tzw. „trigger”) wysokiego poziomu, są
odpowiedzialne za kluczowe systemy kontroli działania oraz precyzyjnej rekonstrukcji geometrii Detektora
Wewnętrznego eksperymentu ATLAS oraz sprawują opiekę nad systemem zbierania danych jednego ze
detektorów dedykowanych do pomiaru świetlności akceleratora. To dzięki pomiarom wykonanym przy
pomocy precyzyjnego Detektora Wewnętrznego możliwe było zaobserwowanie rozpadów cząstki Higgsa na
cztery leptony.
Polski klaster Tier-2 WLCG
Aby móc uczestniczyć w analizie danych z eksperymentów LHC, należało stworzyć w Polsce infrastrukturę
informatyczną zgodną z Worldwide LHC Computing Grid (WLCG). Prace w tym kierunku rozpoczęto z
inicjatywy fizyków z IFJ PAN w Krakowie i z IPJ (obecny Narodowe Centrum Badań Jądrowych) w
Warszawie w r. 2000. Dla zapewnienia silniejszego zaplecza informatycznego, do współpracy włączono
ośrodki komputerowe z Akademii Górniczo-Hutniczej, Uniwersytetu Warszawskiego i Instytutu Chemii
Bioorganicznej PAN. W latach 2002-2005 ACK Cyfronet AGH kierował pilotażowym projektem CrossGrid,
wykonywanym z udziałem 21 partnerów z 11 krajów europejskich w 5 Programie Ramowym UE. W projekcie
tym brało udział pięć instytucji polskich: po dwie z Warszawy i Krakowa oraz jedna z Poznania. Zdobyte
doświadczenie pozwoliło polskim ośrodkom zająć silną pozycję w trzech kolejnych, dużych projektach
infrastrukturalnych, które były faktycznym zaczątkiem Gridu dla LHC. Były to projekty Enabling Grids for Escience in Europe I, II i III, wykonywane w 6 i 7 Programie Ramowym Unii Europejskiej w latach 2004-2010.
W oparciu o szerokopasmową sieć szkieletową PIONIER i zasoby komputerowe AGH, ICM UW i PCSS PAN
stworzono polski Tier-2, który dostarcza 2-3% mocy obliczeniowej dla WLCG. W r. 2007 Minister MNiSW,
Prof. M. Seweryński, oraz Podsekretarz Stanu, Prof. K. Kurzydłowski, podpisali porozumienie o współpracy z
CERN (http://wlcg.web.cern.ch/collaboration/mou). W roku 2013 zasoby polskiego Tier-2 powiększyło
Centrum Informatyczne w NCBJ, zbudowane w Świerku.
Stworzenie sieci komputerowej Grid dla potrzeb LHC dało podstawy rozwoju rozproszonej infrastruktury
informatycznej. Obecnie korzystają z niej także inne dziedziny nauki.
Eksperyment CMS przy akceleratorze LHC w CERN-ie czyli
czyli dziesięć razy jak i dlaczego
Od roku 2010 w Europejskim Laboratorium Fizyki Jądrowej działa akcelerator LHC (Large Hadron Collider)
przyspieszający protony do najwyższych do tej pory osiągniętych w laboratorium energii. W roku 2012
osiągnięto energię wiązek równą 4 TeV. Wewnątrz każdego z detektorów dochodzi podczas jednej sekundy
do czterdziestu milionów zderzeń paczek protonów.
Jednym z czterech głównych prowadzonych eksperymentów jest CMS (Compact Muon Solenoid), w którym
uczestniczy zespół z NCBJ (a także zespoły z Uniwersytetu Warszawskiego i Politechniki). Zbudowany jest
on w kształcie beczki o wadze 12500 ton a rozmiarach 21 m (długość) i 15 m (średnica), wewnątrz której
znajduje się magnes nadprzewodzący z polem o wartości 4 Tesle (~100 000 razy silniejszym niż pole
magnetyczne Ziemi). W eksperymencie bierze udział około 2000 fizyków z 172 laboratoriów i 40 krajów.
Zespół warszawski zaprojektował i wykonał elektronikę do systemu wyzwalania detektora na miony, tj.
pozwalającego na bardzo szybkie podjęcie decyzji o rejestracji danego oddziaływania.
Największym dotychczasowym osiągnięciem eksperymentów prowadzonych przy LHC jest odkrycie bozonu
2
Higgsa o masie ok. 125 GeV/c .
Dlaczego prowadzimy badania w dziedzinie fizyki cząstek elementarnych?
Od dawna zadawano sobie pytania „z czego zbudowany jest otaczający nas świat”. Kolejne etapy odkryć
prowadziły nas coraz dalej wgłąb struktury materii, poprzez molekuły chemiczne, atomy, jądra atomowe, ich
składniki – protony i neutrony aż do obecnego etapu obiektów uważanych za elementarne. Są to składniki
materii - kwarki z których zbudowane są cząstki silnie oddziałujące takie jak mezony oraz bariony i leptony –
elektrony, leptony µ i τ oraz neutrina. Cząstki te oddziałują za pośrednictwem tzw. bozonów – fotonów,
przenoszących siły elektromagnetyczne, gluonów wiążących kwarki wewnątrz hadronów oraz bozonów
pośredniczących Z i W odpowiedzialnych za oddziaływania słabe, których efektem są m/in niektóre rozpady
jąder promieniotwórczych, tzw. rozpady beta. Naturalne pytania, które nasuwają się to: ile jest takich
obiektów podstawowych i jak wyglądają ich oddziaływania. Na większą część takich pytań odpowiada teoria
zwana Modelem Standardowym powstała kilkadziesiąt lat temu, tym niemniej wiemy, że są pytania, z
którymi nie radzi sobie ona. Jednym z postulatów proponujących wyjaśnienie niektórych problemów było
istnienie bozonu Higgsa, którego własności mają między innymi tłumaczyć wartości mas znanych cząstek.
Odpowiedzi na te pytania poszukujemy w eksperymentach prowadzonych przy najwyższych energiach. Mają
one również dostarczyć informacji na temat procesów zachodzących podczas Wielkiego Wybuchu, kiedy
powstawał nasz Wszechświat oraz ewentualnie wyjaśnić zagadkę ciemnej materii, obserwowanej na
podstawie własności galaktyk oraz ich grup. Oprócz postulowanego bozonu Higgsa znamy wiele
proponowanych rozszerzeń Modelu Standardowego, które postulują istnienie wielu nowych cząstek. W
szczególności grupa modeli znanych jako Modele Supersymetryczne postulują istnienie partnerów
wszystkich znanych cząstek, ale różniących się od nich spinem. Niektóre z takich cząstek mogłyby stanowić
ciemną materię.
Dlaczego potrzebujemy tak wysokich energii i wielkich intensywności wiązek?
Aby znaleźć nowe cząstki należy je wyprodukować. Duże wartości mas nowych obiektów wymagają dużej
2
energii zderzających się cząstek (E=mc – aby uzyskać masę, trzeba zainwestować energię). Masa
odkrytego w zeszłym roku bozonu Higgsa jest ok. 130 razy większa od masy protonu, a poza tym jest on
produkowany w zderzeniach składników protonów – kwarków i gluonów. Aby miały one energie
wystarczająco duże, należy więc nadać odpowiednio dużą energię protonom. Oprócz tego
prawdopodobieństwo wyprodukowania bozonu na jeden akt oddziaływania dwóch protonów jest mniejsze
niż jedna miliardowa, a prawdopodobieństwo produkcji i rozpadu na łatwe to zaobserwowania cząstki – ok.
500 razy mniejsze. Chcąc zatem zaobserwować nową cząstkę, musimy dysponować bardzo dużą liczbą
oddziaływań.
Dlaczego akcelerator LHC jest taki wielki?
Protony w akceleratorze LHC poruszają się po torze w przybliżeniu kołowym, na którym utrzymuje je pole
magnetyczne wytworzone przez magnesy nadprzewodzące. Energia protonów krążących po orbicie jest
proporcjonalna do wartości pola magnetycznego oraz do promienia okręgu akceleratora, zatem aby uzyskać
największą możliwą energię musimy dysponować magnesami dającymi najsilniejsze możliwe pole oraz
okręgiem o jak największym promieniu. (W Stanach Zjednoczonych planowano budowę akceleratora
podobnego do LHC, który miał być jeszcze większy, jednak została ona przerwana w roku 1993 z powodów
finansowych.) Tunel, w którym mieści się LHC został zbudowany pierwotnie dla akceleratora LEP, w którym
zderzano elektrony z pozytronami, a więc jego rozmiar był już określony.
Dlaczego detektor CMS jest taki wielki i ciężki?
Tory naładowanych cząstek powstających podczas oddziaływań protonów zakrzywiają się w polu magnesu
CMS. Aby wyznaczyć promień krzywizny toru z dobrą dokładnością, a zatem i energię cząstki, musimy
mierzyć ją na dostatecznie długim odcinku. Leptony µ przechodzą przez żelazo stanowiące jarzmo magnesu
ze stosunkowo niewielkimi stratami energii w przeciwieństwie do pozostałych cząstek, zatem duża ilość
żelaza pozwala na odróżnienie ich od pozostałych produktów zderzenia.
Dlaczego w eksperymencie uczestniczy aż tak wielu fizyków?
Zaprojektowanie tak wielkiego urządzenia, następnie jego zbudowanie, opracowanie programów
symulacyjnych, zbierania danych a później ich analizy było pierwszym przedsięwzięciem tej skali.
Utrzymanie detektora w ruchu, dbanie o prawidłowe jego działanie a w końcu przeanalizowanie otrzymanych
danych wymaga skoordynowanego wysiłku wielu ludzi.
Dlaczego potrzebny jest system wyzwalania?
Podczas pracy akceleratora LHC wewnątrz detektora takiego jak CMS dochodzi do kilkuset milionów
indywidualnych oddziaływań par protonów z przeciwbieżnych wiązek. Nie ma możliwości technicznych
zarejestrowania tak wielkiej liczby danych a następnie przeanalizowania ich, zatem musimy dokonać
wstępnej selekcji i zachować tylko te, które potencjalnie zawierają interesujące nas przypadki. Oczywiście,
nasuwa się pytanie: po co ugotowaliśmy taki wielki kocioł zupy, skoro potrafimy zjeść tylko małą jego część,
a resztę wylewamy? Odpowiedź znajduje się w punkcie trzecim – poszukiwane przez nas przypadki są
niezmiernie rzadkie. Zatem detektor musi być wyposażony w bardzo szybki system, który z częstością
odpowiadającą częstości zderzeń paczek protonów podejmuje decyzję „brać albo nie brać”. CMS posiada
kilka takich systemów.
Jak działa system wyzwalania na miony o dużej energii?
System, który powstał w Warszawie odczytuje podczas każdego zderzenia paczek protonów informację z ok
100 000 czułych elementów ze specjalnych detektorów (RPC – Resistive Plate Chambers – Komory z Płyt
Wysokooporowych) a następnie podejmuje decyzję na podstawie obecności zdefiniowanych uprzednio
układów zapalonych elementów. Na tej podstawie można ocenić przybliżone wartości energii i kierunku lotu
mionu (jeżeli w danym zderzeniu taki się pojawił). Jeżeli decyzja systemu wyzwalania była pozytywna
przechodzimy do następnego kroku - odczytu danych z całego detektora i przesłania danych do wielkiego
zespołu komputerów, które w oparciu o te dane podejmują ostateczną decyzję o zarejestrowaniu przypadku
dla późniejszej dokładnej analizy.
Jak wreszcie znajdujemy bozon Higgsa?
Dane, które przeszły przez sito pierwotnej selekcji są następnie analizowane. Pierwszym krokiem jest
rekonstrukcja powstałych w oddziaływaniu cząstek na podstawie informacji z wszystkich detektorów.
Najbardziej obiecujące sposoby rozpadu bozonu Higgsa to rozpad na dwa fotony oraz na dwie pary
naładowanych leptonów (elektronów lub mionów). Mając zrekonstruowane energie, kąty oraz tożsamości
cząstek wyszukujemy przypadki, w których występują spodziewane produkty rozpadu. Na ich podstawie
obliczamy masę cząstki, która mogła się na nie rozpaść i sporządzamy wykres częstości występowania
rozpadów w funkcji masy. Oczywiście większa część takich kombinacji cząstek nie pochodzi z
poszukiwanych rozpadów i wykres częstości odpowiadający im jest krzywą gładką, ale jeżeli mamy wśród
wszystkich przypadków pewną liczbę bozonów Higgsa, to na rozkładach występują maksima przy jego
masie.
Czy poszukiwanie nowych cząstek jest jedynym zajęciem fizyków z CMS?
Oprócz poszukiwania bozonu (lub kilku bozonów) Higgsa, cząstek supersymetrycznych prowadzi się wiele
innych badań. W szczególności są to analizy danych pod kątem sprawdzania poprawności Modelu
Standardowego, własności najcięższych kwarków a także badania oddziaływań ciężkich jonów. Podczas
każdego roku zbierania danych mniej więcej jeden miesiąc poświęcony jest na badanie oddziaływań jąder
ołowiu i sprawdzanie, czy powstaje w nich nowy stan materii – tzw. plazma kwarkowo-gluonowa.
Jaki jest wkład grupy warszawskiej w CMS?
Jak już mówiliśmy, naszym podstawowym wkładem w budowę detektora CMS było zaprojektowanie i
konstrukcja systemu wyzwalania na miony. Prace obejmowały elektronikę systemu, oprogramowanie
niezbędne do jego działania i sprawdzania poprawności funkcjonowania oraz wyznaczenie wzorców
odpowiadających obecności mionów o wysokiej energii. W trakcie zbierania danych konieczny jest stały
nadzór nad systemem i ewentualne interwencje w przypadku zaistnienia problemów.
Oprócz tej działalności zaprojektowano specjalne modyfikacje systemu pozwalające na poszukiwanie
przewidywanych przez modele supersymetryczne długożyciowych masywnych naładowanych cząstek.
Cząstki o dużej masie poruszają się z prędkością istotnie mniejszą od prędkości światła, zatem wywoływane
przez nie sygnały w częściach detektora dalekich od punktu oddziaływania pojawiają się później niż sygnały
pochodzące od cząstek lekkich jak miony. Ta własność pozwala na etapie wstępnej selekcji wyszukiwać
kandydatów na obecność takich właśnie cząstek. Grupa warszawska zaprojektowała i wykonała
odpowiednie modyfikacje systemu a następnie uczestniczyła w analizie danych. Niestety, do tej pory wyniki
poszukiwań są negatywne.
Bierzemy też udział w badaniach nad własnościami bozonu Higgsa, a konkretnie w poszukiwaniu jego
rozpadów na pary leptonów τ. Badania te są bardo ważne, gdyż pozwalają na określenie na ile własności
bozonu Higgsa są zgodne z postulowanymi przez teorię. W przypadku zaobserwowania niezgodności
mielibyśmy wskazówkę, w jaką stronę należy rozbudowywać istniejące obecnie modele fizyki cząstek i
oddziaływań elementarnych.
Jakie są nasze plany na przyszłość?
Zaobserwowanie maksimów w rozkładach masy to dopiero pierwszy krok. Nie mamy przecież dowodu na to,
że obserwowana cząstka jest bozonem Higgsa. Dotychczasowe wyniki wskazują, że tak jest istotnie, jednak
zebranie większej ilości danych pozwoli nam na dokładniejsze ustalenia. W roku 2015 akcelerator LHC
uzyska planowaną początkowo energię ok. 7 TeV na wiązkę oraz docelową wartość ich intensywności.
Wyższe energie pozwolą nam być może odkryć nowe cząstki przewidywane przez rozszerzenia Modelu
Standardowego.