Streszczenie Eksperyment ALICE

Transkrypt

Streszczenie
Eksperyment ALICE (A Large Ion Collider Experiment – Eksperyment Wielkiego
Zderzacza Jonów), zlokalizowany przy zderzaczu LHC w Europejskim Laboratorium Badań
Jądrowych CERN jest największym eksperymentem poświęconym badaniom interakcji jonów w
warunkach wysokiej gęstości energii. Wynikiem planowanego programu badań ALICE ma być
pogłębienie naszej wiedzy dotyczącej fizyki silnie oddziałującej materii przy skrajnych gęstościach,
odpowiadającymi stanowi Wszechświata ułamki sekund po Wielkim Wybuchu. Do uzyskania
takich warunków wykorzysta wiązki protonów i jonów. Energie zderzeń protonów będą dochodzić
do 14000 GeV w środku masy na parę cząstek, a przypadku ciężkich jonów energie zderzeń mają
dochodzić do 5500 GeV na parę nukleonów. Przewiduje się, że w takich warunkach materia
przyjmuje postać plazmy kwarkowo – gluonowej, gdzie kwarki i gluony istnieją w stanie
niezwiązanym.
W niniejszej pracy inżynierskiej przedstawiona jest metoda opracowania dokumentacji
technicznej detektora ALICE w oparciu o środowisko AliRoot służące do symulacji, analizy i
wizualizacji wyników zderzeń cząstek. Efektem są trójwymiarowe makiety detektorów wykonane
w oparciu o opracowaną dokumentację. Makiety te były prezentowane w CERN w czasie tzw. VIP
days dla polityków i dziennikarzy oraz w wielu miastach Polski w ramach wystawy Jak To Działa?
LHC przygotowywaną przez pracowników i studentów Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej.
Obecnie makiety te prezentowane są w CERN jako element stałej ekspozycji. Praca zawiera
również opis animowanych wizualizacji budowy i działania detektora, oraz jego najważniejszych
podsystemów, wykonanych na bazie opracowanych wcześniej modeli.
Rozdział pierwszy zawiera ogólne informacje dotyczące eksperymentu ALICE, w rozdziale
drugim opisałem budowę akceleratora LHC, będącego największą tego typu maszyną na świecie,
oraz wyzwania, z jakimi musieli się zmierzyć jego twórcy. W rozdziale trzecim zosatły
przedstawione wszystkie eksperymenty należące do kompleksu LHC wraz z krótkim opisem ich
budowy i programu fizycznego. Detektor ALICE, jego program badań, budowa i podstawowe
podsystemy zostały opisane w rozdziale czwartym i piątym. Rozdział szósty zawiera opis
środowiska programistycznego ALICE, który dostarczył mi informacji niezbędnych do
przygotowania modelu detektora. W rozdziale siódmym opisany jest sposób odzyskiwania danych
ze środowiska AliRoot, przygotowanie modelu, jego modyfikację i konwersję do plików typu CAD,
a także przygotowanie na jego bazie animacji. Rozdział ósmy zawiera opis wystawy Jak To Działa?
LHC, a rozdział dziewiąty pokazuje kierunek dalszych prac nad systemem wizualizacji detektora
oraz wyników doświadczalnych.
1
Abstract
The ALICE Experiment (ALICE - A Large Ion Collider Experiment), located by the LHC
collider in European Laboratory for Nuclear Research CERN is the biggest experiment dedicated to
the study of ion interaction at extremely high energy densities. The result of the physics programme
of ALICE is supposed to deepen our knowledge about the physics of strongly interacting matter at
exteremly high densities similar to the state of the Universe just after the Big Bang. To produce
such conditions proton and ion beams. The energies of collisions will be up to 14000 GeV in the
center of mas for a pair of particles, and in case of heavy ions up to 5500 GeV for a pair of
nucleons. It is predicted that at those conditions the matter is at the state of quark-gluon plasma
(QGP), where quarks and gluons are decondined.
In this thesis there is a description of the method of preparing technical documentation of the
ALICE detector based on AliRoot environment usually used to simulate, analyse and visualise the
results of particle collisions. The result are two 3-dimensional mockups of ALICE detector prepared
for the so called VIP Days at CERN for politicians and journalists and in many cities in Poland
during How Does It Work? LHC exhibition made by staff and students of the Faculty of Physics of
Warsaw University of Technology. This work also contains a decription of the animated
visualisations of the detector's structure and operating based on the models prepared earlier.
The first chapter contains general information about the ALICE experiment, in the second
chapter I described the structure of the LHC collider, which is the biggest machine of this type in
the World and the challenges its designers had to face. In the third chapter all the experiments in the
LHC complex with short descriptions of their structure and physics programmes are introduced.
The ALICE detector, its research programme, structure and most important subsystems were
described i fourth anf fifth chapter. The sixth chapter contains the description of the AliRoot
environment supplied me with the information needed for preparing the model. In the seventh
chapter the way of getting data from AliRoot, its modifications and konversion into CAD files, and
also the preparation of the animations based on the model are described. The eighth chapter
contains the description of th How Does it Work? LHC exhibition, and the ninth shows further
possibilities of visualisation system.
2
3
Spis treści
1. Wstęp – eksperyment ALICE wyzwaniem dla nauki i techniki …................6
2. LHC – program badawczy i realizacja praktyczna …....................................8
2.1 Założenia konstrukcyjne i budowa LHC …...........................................8
2.2 Ultrarelatywistyczne zderzenia ciężkich jonów …...............................15
2.3 Dotychczasowe badania ciężkich jonów …..........................................16
2.4 Fizyka ciężkich jonów w LHC …........................................................17
3. Eksperymenty w tunelu LHC ….....................................................................19
3.1 ALICE …...............................................................................................19
3.2 ATLAS …..............................................................................................22
3.3 CMS …..................................................................................................25
3.4 LHCb …................................................................................................28
3.5 TOTEM ….............................................................................................30
3.6 LHCf ….................................................................................................32
4. Eksperyment ALICE …....................................................................................35
4.1 Uwagi historyczne …...........................................................................35
4.2
Program fizyczny eksperymentu …...................................................35
4.2.1 Reakcje ciężkich jonów...............….......................................36
4.2.2 Warunki prowadzenia eksperymentu .....................................37
4.2.3 Akceptancja …........................................................................37
4.2.4 Śledzenie i określanie pędu cząstki …....................................38
4.2.5 Identyfikacja cząstek (PID - Particle IDentification) ….........38
5. Struktura detektora ALICE ….......................................................................39
5.1 ITS ….....................................................................................................41
5.1.1 SPDs …...................................................................................42
5.1.2 SDDs …...................................................................................44
5.1.3 SSDs …...................................................................................45
4
5.2 TPC …...................................................................................................47
5.3 Systemy identyfikacji cząstek (PID – Particle Identification) ..............50
5.3.1 TOF ….....................................................................................51
5.3.2 HMPID …...............................................................................54
5.4 PHOS ….................................................................................................56
5.5 Magnes Solenoidalny …........................................................................58
5.6 Detektory mionowe (Muon Arm) …......................................................60
6. Dokumentacja i prezentacja eksperymentu ALICE …..................................65
6.1 Środowisko …........................................................................................65
6.1.1 ROOT …..................................................................................65
6.1.2 AliRoot …................................................................................69
7. Przygotowanie dokumentacji i wizualizacji eksperymentu ALICE ….........79
7.1 AliRoot …...............................................................................................79
7.2 OpenGL Extractors …............................................................................83
7.3 3D Studio Max 9 …................................................................................87
7.4 Blender …...............................................................................................89
7.5 STL_Util …............................................................................................98
7.6 Wykonanie modelu – NB Composites …..............................................100
8. Wystawa o LHC i udział autora w jej realizacji …........................................104
9. Historyczny moment uruchomienia LHC i ALICE …...................................110
10. Podsumowanie i plany na przyszłość …........................................................114
Spis rysunków …...................................................................................................116
Bibliografia …........................................................................................................119
5
Rozdział 1.
Wstęp - eksperyment ALICE wyzwaniem dla fizyki i techniki
ALICE (A Large Ion Collider Experiment - Eksperyment Wielkiego Zderzacza Jonów)
zlokalizowany jest przy akceleratorze LHC (Large Hadron Collider - Wielki Zderzacz Hadronów)
w Europejskim Laboratorium Badań Jądrowych CERN pod Genewą. Jest to największy
eksperyment poświęcony badaniom zderzeń jonów przy wielkich energiach, Pracuje nad nim,
według danych z końca 2009 roku, około 1000 naukowców ze 105 instytutów naukowych z 30
krajów z Europy, np. Francja, Niemcy, Polska (w tym grupa z Wydziału Fizyki Politechniki
Warszawskiej), Rosja, Azji (np. Indie, Japonia), Afryki (RPA), Ameryki Północnej (USA, Meksyk) i
Ameryki Południowej (Brazylia).
Przewidywany program badań ALICE jest bardzo szeroki i zawiera w sobie badania
oddziaływań jądrowych w LHC (zarówno w małych układach proton - proton, jak i dużych - ołów –
ołów). Pozwoli to na pogłębienie naszej wiedzy na temat fizyki silnie oddziałującej materii przy
skrajnych gęstościach, odpowiadającym warunkom panującym w chwili około 5x10 -15 sekundy po
wielkim wybuchu bądź obecnie wewnątrz najbardziej masywnych gwiazd neutronowych lub
odpowiadającym temperaturom rzędu 8,1x1016 K. Do uzyskania takich warunków potrzebna jest
wiązka o energii równej 7000 GeV na jeden proton (14000 GeV w środku masy dwóch
zderzających się protonów). Przewiduje się, że w takich warunkach materia przyjmuje postać
plazmy kwarkowo - gluonowej (QGP - Quark Gluon Plasma), to znaczy osiąga stan, w którym
kwarki występują niezwiązane1 (w materii w "normalnych" warunkach kwarki występują związane
w trójkach, tworząc protony i neutrony, należące do grupy barionów 1. Badanie tego stanu materii
ma się odbywać między innymi poprzez pomiary charakterystyk mezonów zbudowanych z ciężkich
kwarków, takich jak mezon J/Psi czy upsilon emitowanych w badanych reakcjach. Poniższy
diagram prezentuje obecnie znane stany materii.
1. w materii w "normalnych" warunkach kwarki występują związane w trójkach, tworząc protony i
neutrony, należące do grupy barionów
6
Rys. 1.1 Diagram fazowy materii
Na osi poziomej odłożona jest względna gęstość barionów, która dla materii zbudowanej z atomów jest równa 1, a na
osi pionowej temperatura wyrażona w jednostkach energii. Stan materii atomowej symbolizuje czarna kropka o
gęstości 1 i bardzo niskiej temperaturze, faza zaznaczona białym kolorem to gaz hadronowy, plazma kwarkowogluonowa zaznaczona jest na pomarańczowo, a linia przejścia fazowego na żółto. Czarna strzałka pokazuje kierunek
rozwoju wczesnego Wszechświata, natomiast czerwona strzałka pokazuje, w jaki sposób zmienia swój stan materia
podczas
zderzenia
cząstek
w
akceleratorze
LHC.
Rysunek
został
pobrany
ze
strony:
http://www.gsi.de/fair/experiments/CBM/Phasendiagram.jpg
7
Rozdział 2.
LHC - program badawczy i realizacja praktyczna
2.1 Założenia konstrukcyjne i budowa LHC
Wielki Zderzacz Hadronów (Large Hadron Collider – LHC) jest zderzaczem kołowym o
długości 27 km. Tunel, w którym zbudowano LHC, znajduje się od 50 do 175 m pod powierzchnią
ziemi i przebiega pod granicą Szwajcarsko – Francuską, na przedmieściach Genewy.
Pierwsze wiązki cząstek okrążyły LHC 10. Sierpnia 2008 roku. Niestety, dziewięć dni
później nastąpił poważny problem zakończony uszkodzeniem wielu nadprzewodzących magnesów.
Awaria ta wymagała czasochłonnych napraw i modyfikacji, które rozpoczęły się zimą 2008 roku i
trwały do połowy 2009 roku. Ponowne uruchamianie LHC rozpoczęło się 14 czerwca 2009 roku, a
pierwsze zderzenia protonów o energii 900 GeV na parę cząstek zostały zarejestrowane 23.
listopada 2009 roku.
LHC został zbudowany do zderzania dwóch okrążających go w przeciwnych kierunkach
wiązek protonów lub ciężkich jonów. Energie zderzeń typu proton-proton mają osiągnąć poziom 14
TeV na parę cząstek.
Wiązki cząstek poruszają się wokół LHC w próżni, a ich ruch sterowany jest magnesami. W
tunelu LHC umieszczono 1232 magnesy dipolowe, ułożone w 27-kilometrowy okrąg. Ponieważ
pęd cząstek przy energiach osiąganych przez LHC jest bardzo wysoki, zamontowane magnesy
muszą tworzyć bardzo silne pole magnetyczne. By je osiągnąć, potrzebny jest bardzo wysoki prąd.
Aby uniknąć nadmiernych strat energii przez opór, magnesy są nadprzewodzące i chłodzone
ogromnym systemem kriogenicznym.
LHC jest w stanie pracować bez przerwy przez długi czas, utrzymując wiązki cząstek przy
wysokich energiach przez 10 do 20 godzin. W ciągu dziesięciu godzin rozpędzone cząstki okrążają
kolajder 400 000 000 razy. Do zderzeń dochodzi w czterech detektorach na obwodzie LHC –
ALICE, ATLAS, LHCb i CMS.
8
Wiązki cząstek krążące w LHC wprowadzane są przez akcelerator SPS (Super Proton
Synchrotron), który nadaje im energię 450 GeV na nukleon, a następnie są przyspieszane do energii
7 TeV.
Do osiągnięcia zakładanych celów badawczych LHC musi spełniać następujące założenia:
•
Świetlność zderzacza
W LHC energie partonów (kwarki i gluony) tworzących protony osiągną poziom TeV, około
10 razy więcej niż w akceleratorze LEP w CERN i Tevatron w Fermilab. Aby utrzymać
równie efektywny program badań przy wyższej energii, świetlność LHC, czyli wielkość
proporcjonalna do liczby zderzeń na sekundę, powinna wzrastać z kwadratem energii. Jest
to spowodowane tym, że długość fali De Brogile'a dla danej cząstki maleje i jest odwrotnie
proporcjonalna do energii, zatem jej przekrój czynny także maleje i jest odwrotnie
proporcjonalny do kwadratu energii. We wcześniejszych zderzaczach świetlność osiągała
poziom L=1032 cm-2 s-1, podczas gdy w LHC ma być sto razy większa i wynosić
L=1034 cm-2 s-1. Może to być spełnione jedynie dzięki wprowadzaniu do LHC dwóch wiązek
(krążących w przeciwnych kierunkach), z których każda zawiera 2835 „paczek” po 10 11
cząstek każda. Wynikiem tego jest duży prąd wiązki, wynoszący 0,53 A, co jest wyzwaniem
w urządzeniu zbudowanym z delikatnych magnesów nadprzewodzących utrzymywanych w
bardzo niskiej temperaturze.
•
Gęstość „paczki” cząstek
Gdy dwie paczki cząstek przecinają się w środku jednego z detektorów tylko ich niewielka
część zderza się umożliwiając badanie zjawisk interesujących badaczy skupionych w
eksperymentach przy LHC. Pozostałe są odchylane przez silne pole elektromagnetyczne
drugiej paczki. Odchylenie te jest większe dla gęstszych paczek, rosną z każdym zderzeniem
i mogą prowadzić do strat cząstek. Ten efekt był obserwowany w poprzednich zderzaczach,
a zebrane doświadczenie pokazuje, że niemożliwe jest podniesienie gęstości paczki ponad
pewien limit, jeśli chce się utrzymać wiązkę przez długi czas. By osiągnąć zakładaną
świetlność, LHC będzie działać jak najbliżej tej granicy. Z tego powodu akceleratory
wprowadzające wiązki do LHC, PS i SPS, musiały zostać przygotowane do operowania na
ściśle określonej gęstości wiązki.
•
Kontrola zbiorowych niestabilności
Podczas okrążania 27-kilometrowej pętli LHC przy prędkości bliskiej prędkości światła,
każda z 2835 paczek tworzy słabe pole elektromagnetyczne które oddziałuje na kolejne
9
paczki. Zatem każde początkowe zakłócenie pozycji bądź energii jednej paczki przechodzi
na kolejne, a przy określonych wartościach fazy ich oscylacje mogą się wzmacniać i
prowadzić do straty wiązki. W LHC te zbiorowe niestabilności mogą być poważne ze
względu na duży prąd wiązki potrzebny, by zapewnić wysoką świetlność. Ich skutki mogą
być minimalizowane przez dokładną kontrolę właściwości elektromagnetycznych
elementów otaczających wiązkę.
•
Cząstki muszą pozostać stabilne przez długi czas
Wiązki będą utrzymywane przy wysokiej energii przez 10 do 20 godzin. W tym czasie
cząstki krążą wokół LHC steki milionów razy. Jednocześnie amplituda ich naturalnych
oscylacji wokół centralnej orbity nie powinna znacznie wzrosnąć, gdyż mogłoby to
„rozcieńczyć” wiązkę i zmniejszyć świetlność. Jest to trudne do uzyskania ze względu na
zbiorowe niestabilności oraz niewielkie nieliniowe elementy w systemach prowadzących i
skupiających wiązki powodujące lekko chaotyczny ruch, zatem po dużej liczbie okrążeń
cząstki mogą zostać utracone. Konieczne było więc ustalenie dopuszczalnych tolerancji
jakości magnesów w fazie projektowania i produkcji.
•
Strata wiązki nie powinna zatrzymywać magnesów
Chociaż stosowane są wszystkie środki ostrożności, czas trwania wiązki nie jest
nieskończony i w pewnym momencie część wiązki zostanie utracona. W tym przypadku
energia cząstek zmienia się w ciepło w otaczającym materiale, co może spowodować
zatrzymanie magnesów nadprzewodzących i trwające wiele godzin utrudnienia w pracy
zderzacza. Aby tego uniknąć, system kolimujący wyłapuje niestabilne cząstki zanim osiągną
ścianę przewodu prowadzącego wiązkę i odprowadzą je z wiązki w miejscach oddalonych
od elementów nadprzewodzących.
•
LHC powinien być łatwy do modyfikacji
Nowoczesny akcelerator lub zderzacz jest ogromną inwestycją, która musi służyć jako
narzędzie do badań przed długi czas, zatem powinien być łatwo adaptowany do
pojawiających się potrzeb. Podobnie SPS w CERN został przeprojektowany, by służyć jako
zderzacz protonów i antyprotonów, a obecnie wprowadza do LHC wiązki protonów o dużej
gęstości. Rozwiązania techniczne wybrane dla LHC by zapewnić wysokie osiągi przy
minimalizowaniu kosztów mogłoby drastycznie obniżyć możliwość modyfikacji, gdyż
większość jego elementów jest gęsto upakowanych i trzymanych stale w niskiej
temperaturze. Projektanci LHC dołożyli jednak wszelkich starań, by uczynić maszynę
możliwie łatwą do modyfikacji by sprostać nieprzewidzianym w fazie projektu
10
oczekiwaniom.
Wybrane dane techniczne zderzacza LHC (dane zaczerpnięte z: http://lhc-machineoutreach.web.cern.ch/lhc-machine-outreach/lhc-vital-statistics.htm):
•
Zderzane cząstki: protony (w zderzeniach proton-proton), w przyszłości także ciężkie jony
(ołów, całkowicie zjonizowany 82+)
•
Obwód: 26,659 m
•
Iniektor wiązki: SPS
•
Energia wprowadzanej wiązki: 450 GeV (protony)
•
Nominalna energia zderzanej wiązki: 7 TeV (protony)
•
Pole magnetyczne przy 7 TeV: 8,33 T
•
Temperatura magnesów: 1,9 K
•
Liczba magnesów: około 9300
•
Liczba głównych magnesów dipolowych: 1232
•
Liczba magnesów kwadrupolowych: około 860
•
Liczba magnesów korekcyjnych: około 6200
•
Częstotliwość wiązki: 11,2455 kHz.
•
Moc całkowita: około 120 MW
•
Nachylenie tunelu: 1,4%
•
Różnica między najwyższym i najniższym punktem: 122 m.
11
Rys. 2.1 Kompleks akceleratorów w CERN
Wiązki cząstek, które mają się zderzać w detektorach wokół LHC wprowadzane są do liniowych akceleratorów
nazwanych LINIAC2 (protony) i LINIAC3 (jony ołowiu), w których rozpędzane są do prędkości równej 0,3c (c –
prędkość światła w próżni). Następnie wiązka przesyłana jest do boostera PSB (Proton Synchrotron Booster), a
następnie do PS (Proton Synchrotron), gdzie osiąga prędkość 0,87c. Stąd kierowana jest do SPS, gdzie nadawana jest
jej energia 450 GeV, a następnie do LHC, gdzie energia rośnie do 7 TeV. Wiązki zderzają się w czterech deteketorach
wokół LHC, w ALICE, ATLAS, CMS i LHCb. Rysunek został pobrany ze strony: http://lhc-machineoutreach.web.cern.ch/lhc-machine-outreach/lhc_in_pictures.htm
12
Rys. 2.2 Tunel LHC
Widoczny jest kluczowy element LHC – jeden z 1232 magnesów dipolowych. Zdjęcie zostało pobrane ze strony:
http://lhc-machine-outreach.web.cern.ch/lhc-machine-outreach/lhc_in_pictures.htm
Rys. 2.3 Magnes dipolowy
Magnes dipolowy – taki sam jak 1232 magnesy zamontowane w tunelu LHC
13
Rys. 2.4 Magnes dipolowy
Rysunek przedstawia linie pola magnetycznego w magnesie dipolowym zamontowanym w LHC. Czerwone strzałki
wskazują kierunek wiązki, zielone – kierunek prądu w cewkach, a żółte – linie pola magnetycznego. Rysunek został
pobrany ze strony: http://cdsweb.cern.ch/record/841511
2.2 Ultrarelatywistyczne zderzenia ciężkich jonów
Fizyka zderzeń ciężkich jonów przy wysokich energiach ma za zadanie zbadać, jak
zachowuje się materia w warunkach bardzo wysokich gęstości energii, odpowiadających stanowi
materii w chwili 10-15s po Wielkim Wybuchu, bądź obecnie wewnątrz zapadających się gwiazd
neutronowych. Zachowanie to jest obecnie opisywane przy pomocy teorii tzw. Chromodynamiki
Kwantowej (QCD - Quantum ChromoDynamics). QCD jest częścią fizyki teoretycznej badającą
oddziaływania silne1
występujące między kwarkami i gluonami tworzącymi hadrony (grupą
cząstek należącą do hadronów są między innymi bariony, w tym proton i neutron). QCD jest
obecnie ważną częścią Modelu Standardowego fizyki cząstek, potwierdzoną w wielu
eksperymentach.
1. lub inaczej kolorowe - od oznaczeń gluonów
14
Rozważania QCD prowadzą do dwóch ważnych stwierdzeń, asymptotycznej swobody,
kiedy oddziaływania między kwarkami staja się bardzo słabe przy bardzo małych odległościach 2,
oraz związania, czyli niemożności otrzymania pojedynczej cząstki naładowanej kolorowo (kwarku).
Jest to związane ze wzmacnianiem, wraz ze wzrostem odległości, oddziaływań wiążących kwarki3.
Celem eksperymentu ALICE jest zbadanie diagramu fazowego materii, wynikającego
zarówno z fizyki jądrowej jak i fizyki wysokich energii. Zbadana i sprawdzona zostanie również
teoria QCD, co pozwoli odpowiedzieć na pytania dotyczące związania kwarków i symetrii
chiralnej, oraz opisanie dynamicznych zjawisk przemian fazowych materii kwarkowej.
2.3 Dotychczasowe badania ciężkich jonów
Pierwsze duże programy eksperymentalne badające oddziaływania ciężkich jonów zostały
uruchomione w dwóch ośrodkach – w Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) w Berkeley
w USA i w Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych w Dubnej (Joint Institute for Nuclear
Research - JINR), w dawnym ZSRR.
W LBNL, do przyspieszania jonów wykorzystywano akcelerator jonowy HILAC i Bevatron,
znany dzięki odkryciu antyprotonów na początku lat 50. XX wieku. System ten, nazwany
BEVALAC, pozwalał na przyspieszanie wiązki jonów do energii około 1 GeV na nukleon. Lżejsze
pierwiastki, które mogły być całkowicie zjonizowane, były przyspieszane do energii wyższych niż
2 GeV na nukleon. W JINR w Dubnej uruchomiono podobny program, choć przyspieszano jedynie
lżejsze jony. Następny duży system przyspieszający ciężkie jony powstał w
Gesellschaft für
Schwerionenforschung (GSI) w Darmstadt, w Niemczech. Osiągał on podobne energie co
BEVALAC, który działał aż do roku 1993.
Sukcesy pierwszych programów cieżkojonowych, szczególnie zaprezentowanie możliwości
badania właściwości materii w warunkach wysokiego ciśnienia i gęstości energii, doprowadziły do
powstania programów badań przy wyższych energiach. Nowe programy prowadzone były przez
laboratoria BNL i CERN. Budowanie coraz większych systemów, osiągających coraz większe
energie, powodowane było między innymi chęcią znalezienia przejścia między materią hadronową
(zbudowaną z hadronów) a plazmą kwarkowo-gluonową.
Pierwsza wiązka jonów tlenu o energii 60 GeV została wysłana z akceleratora SPS (Super
Proton Synchrotron )w CERN i uderzyła w tarczę jesienią 1986 roku. Mniej więcej w tym samym
2. za rozważania takie z 1973 roku ich twórcy, Frank Wilczek, David Gross i H. David Politzer,
otrzymali Nagrodę Nobla z fizyki w 2004 roku
3. sytuacja odwrotna niż w przypadku np. oddziaływania ładunków elektrycznych
15
czasie w Brookhaven National Laboratory w USA uruchomiono akcelerator AGS ( Alternate
Gradient Synchrotron) z wiązką jonów krzemu o energii 15 GeV. Niedługo potem, SPS zaczął
operować na energii 200 GeV, rozpędzając również jony siarki. Aby zbadać gęstą materię powstałą
w wyniku zderzeń w stosunkowo dużej objętości i przez stosunkowo długi czas, SPS został
zmodyfikowany w 1994 roku i przygotowany do rozpędzania jonów ołowiu do energii 158 GeV. W
tym samym czasie w BNL zaczęto rozpędzać jony złota do energii 110 GeV. W 1999 roku w BNL
ukończono budowę Relatywistycznego Zderzacza Ciężkich jonów (Relativistic Heavy Ion Collider
– RHIC), który umożliwił zderzanie wiązek jonów przy energiach do 200 GeV. Nowy poziom
energii zderzeń został osiągnięty w 2008 i w 2009 roku wraz z uruchomieniem kompleksu LHC w
CERN.
Rys. 2.5 Kompleks BEVALAC
Na zdjęciu widoczny jest cały kompleks BEVALAC, białą strzałką oznaczony jest kierunek ruchu wiązki. Źródło:LBL
News Magazine, Vol. 1, No. 1, Summer 1976, p. 5
16
Rys. 2.6 Kompleks AGS i RHIC w BNL w USA
Widoczny jest cały kompleks akceleratorów w Brookhaven National Laboratory. Wcześniejszy akcelerator, AGS,
zaznaczony jest kolorem zielonym i pełni obecnie rolę iniektora do nowszego akceleratora RHIC. Rysunek został
pobrany ze strony: http://www.bnl.gov/rhic/images.asp
2.4 Fizyka ciężkich jonów w LHC
Program badawczy LHC przewiduje zarówno zderzenia typu p-p (proton proton), by zbadać
zachowania cząstek przy energiach rzędu TeV, jak i zderzenia p-A (proton - jądro atomowe, w tym
przypadku ołowiu, czyli zderzenia p-Pb), oraz zderzenia A-A (Pb-Pb) z energiami dochodzącymi do
5,5 TeV na nukleon w środku masy. Osiągnięty zostanie zatem zakres energii charakterystycznych
dla zderzeń cząstek promieniowania kosmicznego. Ekstrapolując dotychczasowe wyniki i pomiary
można powiedzieć, że możliwości formowania się QGP - gęstość energii, wielkość i czas trwania
systemu, oraz czasy relaksacji, zostaną znacząco zwiększone (zarówno ze względu na wielkość
jonów, jak i ich energie). Spodziewane jest zatem otrzymanie gęstości energii dużo powyżej
wartości granicznych dla łamania związania kwarków, opisanego w punkcie 2.2, a zatem
sprawdzenie, czy QGP rzeczywiście dąży asymptotycznie do stanu przypominającego idealny gaz.
17
Dzięki wysokim energiom wiązek, w obszarze niskich wartości pseudopospieszności 4
będzie niemal tyle samo barionów i antybarionów, podobnie jak to miało miejsce w przypadku
wczesnego
Wszechświata.
Prawdopodobnie
wystąpią
tam
bardzo
liczne
zgrupowania
"średniotwardych" partonów tworzących tzw. "mini-jets" 5 . Oznacza to, że akcelerator LHC jest w
stanie zapewnić
lepsze środowisko do badań silnie oddziałującej materii niż poprzednie
akceleratory.
Wymieniona w paragrafie wielkość zwana pseudopospiesznością, oznaczana literą η jest
wielkością fizyczną używaną w fizyce wysokich energii. Definiuje się ją jako:

=−ln tg 
2
gdzie  jest kątem polarnym względem osi wiązki, lub:
∣ p∣ p L
1
= ln 

∣ p∣− p L
2
gdzie p jest wektorem pędu cząstki, a pL jest jego składową równoległą do kierunku wiązki.
Dla
cząstek
relatywistycznych,
gdzie
pęd
jest
znacznie
większy od
masy
(p>>m),
pseudopospieszność równa przyjmuje wartości zbliżone do pospieszności, zdefiniowanej jako:
y=arctanh 
vL

c
gdzie vL jest składową prędkości równoległą do kierunku wiązki, lub:
E p L c
1
y= ln

2
E− p L c
gdzie E jest energią cząstki.
W fizyce wysokich energii używa się pospieszności i pseudopospieszności ponieważ są one
wielkościami addytywnymi przy transformacji Lorentza, podobnie jak prędkość jest addytywna
przy transformacji Galileusza, co znacząco ułatwia obliczenia.
4. czyli bliski płaszczyzny prostopadłej do kierunku wiązki, przechodzącej przez punkt zderzenia
5. "jet" to zgrupowanie szybko poruszających się cząstek o niewielkich względnych pędach
18
Rozdział 3.
Eksperymenty w tunelu LHC
3.1 ALICE
Eksperyment ALICE ma za zadanie zbadać charakterystyczne oddziaływania nukleonów i
jąder atomowych o energiach uzyskiwanych w LHC. Jego celem jest zbadanie silnie oddziałującej
materii przy ekstremalnych gęstościach energii, pozwalającej na tworzenie nowego stanu materii,
plazmy kwarkowo-gluonowej (QGP - Quark-Gluon Plasma).
Istnienie tego stanu i jego właściwości są kluczowe do zrozumienia uwięzienia kwarków w
barionach, przewidzianego w teorii Chromodynamiki Kwantowej (Quantum ChromoDynamics QCD). By to osiągnąć, grupa naukowców skupiona wokół eksperymentu ALICE planuje
przeprowadzić wnikliwe badania hadronów, elektronów, mionów i fotonów będących produktem
ciężkich jąder atomowych.
Aby przeprowadzić opisane wyżej badania, detektor ALICE złożony jest z wielu
podsystemów (mniejszych detektorów) mających za zadanie badać poszczególne sygnały, które
zebrane razem pozwolą na zrozumienie procesów fizycznych występujących w zderzeniu. Detektor
ALICE składa się z następujących podsystemów (w kolejności od środka, to znaczy od najbliższego
punktowi zderzenia):
•
ITS (Inner Tracking System - Wewnętrzny System Śledzący) - zbudowany z trzech
dwuwarstwowych segmentów zawierających krzemowe detektory pikselowe (SPD - Silicon
Pixel Detector), dryftowe (SDD - Silicon Drift Detector) i paskowe (SSP - Silicon Strip
Detector); jego zadaniem jest wyznaczenie wyznaczenie punktu zderzenia (tzw.
wierzchołka), identyfikacja i wyznaczanie torów cząstek o małych pędach, hiperonów i
cząstek powabnych
•
TPC (Time Projection Chamber - Komora Projekcji Czasowej) - główny system śledzący 1
1. słowo "śledzenie" w przypadku detektora oznacza wyznaczanie toru cząstki na podstawie
19
zainstalowany w eksperymencie ALICE, który umożliwia fizykom śledzenie naładowanych
cząstek; dzięki niemu jest możliwe znajdowanie torów cząstek, ich identyfikacja i pomiar
pędu; jest detektorem dryfowym, o cylindrycznym kształcie, z wewnętrzną elektrodą
wykonaną z folii poliestrowej pokrytej aluminium i dwiema zewnętrznymi płytami
podzielonymi na 18 segmentów, zawierających łącznie prawie 560 tysięcy mniejszych
segmentów o różnej wielkości
•
TRD (Transition Radiation Detector - Detektor Promieniowania Przejścia) - zbudowany z
wielu warstw folii polipropylenowych, pomaga w śledzeniu cząstek wykrywanych przez
wewnętrzne detektory oraz pozwala odróżnić elektrony od pionów
•
TOF (Time Of Flight - Detektor Czasu Przelotu) - służy do identyfikacji cząstek
produkowanych w zderzeniach; mierzy on czas w jakim cząstki docierają do niego z punktu
zderzenia pozwalając na bezpośredni pomiar prędkości; znając prędkość cząstki, długość
toru oraz jej pęd, mierzony w innych detektorach (ITS i TPC), możliwe jest obliczenie jej
masy i na tej podstawie określenie jej rodzaju
•
PHOS (PHOton Specrometer - Spektrometr Fotonów) - kalorymetr elektromagnetyczny
(czyli detektor do pomiaru energii cząstek produkowanych w trakcie zderzenia) o wysokiej
rozdzielczości, zbudowany jest z kryształów scyntylacyjnych PWO2
•
HMPID (High Momentum Particle IDentification - Detektor Cząstek o Dużych Pędach) przeznaczony do rozróżniania cząstek o dużych pędach, np. pionów od kaonów (1-3GeV/c),
protonów od kaonów (2-5 GeV/c); składa się z siedmiu modułów będących detektorami
Czerenkowa (RICH - Ring Imaging Cherenkov)
•
Magnes Solenoidalny (Solenoid Magnet) - skonstruowany dla wykonywanego wcześniej w
CERN eksperymentu L3 (zlokalizowanego przy akceleratorze LEP) i zaadaptowany dla
potrzeb eksperymentu ALICE; wytwarza jednorodne pole magnetyczne o kierunku
równoległym do osi wiązki cząstek z LHC; pole magnetyczne zakrzywia tory elektrycznie
naładowanych cząstek, emitowanych w zderzeniach protonów i ciężkich jonów, co pozwala
określić ładunek oraz pęd cząstki i znacząco ułatwia identyfikację cząstek o
pędach
powyżej ~ 100 MeV/c
•
Detektor Mionowy - składa się z magnesu dipolowego (Dipole Magnet) do odchylania
torów mionów, pięciu stacji śledzących (Muon Tracking), oraz absorbera; pozwala rozróżnić
punktów jej oddziaływania
2. scyntylator to materiał, w którym obserwuje się błysk światła na skutek przejścia cząstki
naładowanej elektrycznie
20
cząstki zawierające kwarki powabne (c) i piękne (b) poprzez ich rozpady na pary mionów
Rys. 3.1 Detektor ALICE w trakcie konstrukcji
Widoczny jest magnes solenoidalny (czerwony) oraz kratownica mająca podtrzymywać podsystemy detektora. Detektor
ALICE znajduje się w komorze o wysokości ponad 20 m umieszczonej około 100 m pod powierzchnią ziemi. Zdjęcie
pochodzi ze strony: http://cdsweb.cern.ch/
21
Rys. 3.2 Detektor ALICE
Widocznej są główne podsystemy detektora (licząc od wewnątrz): ITS (niebieski), TPC (szary), TRD (zielony), TOF
(niebieski), PHOS (fioletowy, pod TOF), EMCal (czerwony, z tyłu), HMPID (różowy, z przodu), magnes solenoidalny
(czerwony), ACORDE (czerwony, na wierchu magnesu), ramię mionowe (po prawej stronie) - magnes dipolowy
(niebiesko-żółty), komory śledzące, komory wyzwalania (szare). Biała postać na dole odpowiada dorosłemu
człowiekowi o wzroście około dwóch metrów stojącemu przy detektorze.
3.2 ATLAS
ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS - Toroidalny Detektor Przy LHC) jest eksperymentem
fizyki cząstek zlokalizowanym przy akceleratorze LHC w CERN. Zadaniem naukowców
skupionych w grupie ATLAS jest badanie podstawowych sił które ukształtowały Wszechświat,
poszukiwanie odpowiedzi dotyczących pochodzenia materii (masy), dodatkowych wymiarów
przestrzeni, unifikacji oddziaływań i istnienia ciemnej materii. Kolaboracja eksperymentu składa się
2900 osób z 37 krajów i ponad 170 ośrodków naukowych z całego świata.
Do głównych zadań detektora ATLAS należy poszukiwanie kwantu pola Higgsa, zwanego
bozonem
Higgsa,
będącego
niepotwierdzonym
eksperymentalnie
elementem
Modelu
Standardowego i odpowiedzialnego za nadawanie masy cząstkom elementarnym, co ma odróżniać
22
oddziaływania jądrowe słabe i elektromagnetyczne 3. Kolejnym zagadnieniem jest asymetria
pomiędzy zachowaniem materii i antymaterii, które, według teorii Wielkiego Wybuchu,
występowały w bardzo wczesnej fazie Wszechświata w równych ilościach, natomiast obecnie
stwierdza się brak antymaterii we Wszechświecie. Ta asymetria jest nazywana CP Violation
(naruszenie symetrii ładunku i parzystości - Charge and Parity). Do programu fizycznego
eksperymentu ATLAS należy również zbadanie kwarka t, odkrytego w 1995 roku, dokładny pomiar
jego masy i oddziaływań z innymi cząstkami.
Do przeprowadzenia wymienionych powyżej badań detektor ATLAS został zbudowany z
czterech głównych elementów ( kolejności "od środka"):
•
Inner Detector (Wewnętrzny Detektor) - składający się z detektorów pikselowych (Pixel
Detector, trzy wewnętrzne cylindryczne warstwy i po trzy dyski po każdej ze stron),
umieszczonych
najbliżej
punktu
zderzenia,
określających
parametry
zderzenia
i
umożliwiających znalezienie krótkożyciowych cząstek, półprzewodnikowego detektora
śledzącego (SCT - Semiconductor Tracker) mającego za zadanie przeprowadzić osiem
dokładnych pomiarów każdego toru cząstki, co ma pomóc określić punkt i parametry
zderzenia, oraz detektora śledzącego promieniowania przejścia będącego detektorem
słomkowych pozwalającym na rozróżnianie blisko lecących cząstek
•
Calorimeter (Kalorymetr) - mierzący energie cząstek, składający się z warstw metalu
(absorberów) i czułych elementów; oddziaływania w absorberach przemieniają energię w
"shower" cząstek mierzonych w czułych elementach; w wewnętrznych częściach
kalorymetru, materiałem detekcyjnym jest ciekły argon (cząstki w argonie uwalniają
elektrony, które są zbierane i mierzone), natomiast w zewnętrznych warstwach materiałem
detekcyjnym jest scyntylacyjny plastik
•
Muon Spectrometer (Spektrometr Mionów) - otaczający kalorymetr4, identyfikuje miony
powstałe w wyniku zderzenia i rozpadów cząstek, śledzi ich tory i mierzy pędy z bardzo
dużą precyzją; składa się z tysięcy detektorów naładowanych cząstek, podobnych do
detektorów słomkowych ("straws") ale o większej średnicy
•
Magnet System (System Magnesów) - składający się z wewnętrznego magnesu
solenoidalnego, zewnętrznego magnesu toroidalnego zbudowanego z ośmiu segmentów i
dwóch zewnętrznych płyt zawierających po osiem cewek, wszystkie elementy systemu
3. bozony W i Z będące nośnikami oddziaływania słabego mają masę, natomiast foton nie ma masy
4. miony są 200 razy cięższe od elektronów i mogą pokonać cały detektor nie będąc zatrzymanymi,
zatem takie umiejscowienie detektora nie wpływa negatywnie na jakość pomiaru
23
magnesów zbudowane są z nadprzewodników zamkniętych w aluminiowej obudowie
Rys. 3.3 Detektor ATLAS w fazie konstrukcji
Widoczna jest boczna ściana wewnętrznego detektora. Zdjęcie zostało pobrane ze strony:
http://www.atlas.ch/photos/atlas_photos/selected-photos/full-detector/0706038_01-A4-at-144-dpi.jpg
24
Rys. 3.4 Detektor ATLAS
Widoczne są podsystemy: Wewnętrzny Detektor (żółty), Kalorymetr (szary, wokół Wewnętrznego Detektora),
Spektrometr
Mionów
(niebieski)
i
System
Magnesów
(szary).
Obraz
został
pobrany
ze
strony:
http://www.atlas.ch/etours_exper/index.html
3.3 CMS
CMS (Compact Muon Solenoid - Kompaktowy Solenoidalny Detektor Mionowy) jest
trzecim z eksperymentów zlokalizowanych przy LHC i skupiają ponad 3000 osób z 38 krajów i
ponad 180 instytutów naukowych. Ma program fizyczny zbliżony do eksperymentu ATLAS, to
znaczy badanie oddziaływań przy wysokich energiach, poszukiwanie bozonu Higgsa, dodatkowych
wymiarów przestrzeni, jednak prowadzone przezeń badania mają opisywać wymienione problemy z
innej perspektywy, co pozwoli na ich dokładniejsze i bardziej wszechstronne opisanie (we
współpracy z eksperymentem ATLAS). Jako detektor ogólnych zastosowań, CMS zawiera
podsystemy przeznaczone do pomiaru energii i pędu fotonów, elektronów i mionów.
Z myślą o różnorodnych pomiarach detektor CMS jest zbudowany z kolejnych, ściśle
ułożonych warstw detektorów (stąd słowo "kompaktowy" w nazwie detektora, który jest
25
stosunkowo niewielki jak na swoją masę - ma długość 21,5m i masę 12500t):
•
Tracker (Komora Śledząca) - którego zadaniem jest obliczanie pędu cząstki na podstawie jej
toru w polu magnetycznym, zrekonstruowanym na podstawie szeregu punktów z detektora,
składa się z 65 milionów pikseli (Pixel Detectors) umieszczonych w wielu warstwach jak
najbliżej punktu zderzenia i określających bardzo precyzyjnie punkty kluczowe toru, oraz
ponad 10 milionów krzemowych detektorów paskowych (Silicon Strip Detectors) zebranych
w 15200 segmentach umieszczonych w dziesięciu koncentrycznych warstwach
•
ECAL (ELectromagnetic Calorimeter - Kalorymetr Elektromagnetyczny) - pozwalający na
pomiar energii cząstek powstałych w wyniku zderzenia, składający się z cylindra
zbudowanego z ponad 60 tysięcy kryształów PWO (jako materiał scyntylacyjny) z
przyklejonymi do nich detektorami, oraz dwóch zewnętrznych płyt zawierających 17 tysięcy
kryształów i dodatkowych detektorów typu preshower, pozwalających na rozróżnienie
pojedynczych wysokoenergetycznych fotonów
•
HCAL (Hadron Calorimeter - Kalorymetr Hadronowy) - pozwalający na pomiar energii
hadronów (protonów, neutronów, pionów i kaonów), a niebezpośrednio również neutrin,
składa się z naprzemiennych warstw absorbera i scyntylatora uformowanych w kształt
cylindra i dwóch zewnętrznych segmentów po obydwu stronach CMS, rozbłyski ze
scyntylatora są przekazywane światłowodami do fotodetektorów i wzmacniane, następnie
cały zaobserwowany rozbłysk (z kilku kolejnych warstw) jest analizowany i na jego
podstawie obliczana jest energia cząstki
•
Muon System (System Do Pomiaru Mionów) - umieszczony na zewnątrz detektora CMS
(miony nie są absorbowane w warstwach absorbera), zapewnia pomiary torów mionów
(razem z Trakerem), składa się z 1400 komór mionowych, 250 tub dryftowych (DTs - Drift
Tubes), 540 katodowych komór paskowych (CSCs - Cathode Strip Chambers) i 610
oporowych komór płytowych (RPCs - Resistive Plate Chambers) decydujących o
zapisywaniu śladu danej cząstki; detektory DT i RPC są umieszczone w czterech
cylindrycznych warstwach, natomiast detektory CSC i RPC są umieszczone w dwóch
zewnętrznych dyskach
•
Magnes - magnes solenoidalny ma kształt cylindra, w którym zamknięte są wewnętrzne
detektory - Tracker, ECAL i HCAL, zapewnia pole magnetyczne o wartości 4T, pozwalając
na pomiar pędu naładowanych cząstek
26
Rys. 3.5 Detektor CMS w fazie konstrukcji
Widoczny jest magnes solenoidalny (okrągły, w środku), warstwy absorberów i detektory pikselowe detektora
mionowego
(naprzemienne
warstwy
wokół
wokół
magnesu).
Obraz
pobrany
ze
strony:
http://cms.web.cern.ch/cms/Media/Images/PhotoBook/index.html
Rys. 3.6 Detektor CMS
Widoczny jest ECAL (zielony), HCAL (żółty), magnes solenoidalny (szary), warstwy absorberów i detektory pikselowe
detektora
mionowego
(naprzemienne
warstwy
białe
i
czerwone).
Obraz
pobrany
ze
strony:
http://cms.web.cern.ch/cms/Detector/Designed/index.html
27
3.4 LHCb
LHCb (Large Hadron Collider beauty - gdzie słowo "beauty" oznacza kwark b, zwany też
pięknym lub spodnim) ostatni z dużych detektorów zbudowanych przy akceleratorze LHC,
skupiający 700 naukowców z 52 ośrodków, dedykowany jest pomiarom cząstek zawierających
kwark dolny oraz parametrów łamania symetrii parzystości i ładunku (CP violation).
Do głównych zadań eksperymentu LHCb należy wyznaczenie górnej granicy tzw. „stosunku
rozgałęzień” rozpadów rzadko występujących cząstek. LHCb ma również za zadanie zbadać
właściwości rozpadów cząstek zawierających kwark b, w tym rozpad mezonu b będący źródłem
fotonów.
Detektor LHCb złożony jest z następujących elementów:
•
VELO (VErtex LOcator - Lokalizator Wierzchołka) - detektor, wewnątrz którego zderzają
się wiązki protonów z LHC i tworzą się cząstki zawierające kwarki b i anty-b, zawierający
42 detektory krzemowe w odległości 5mm od punktu zderzenia mierzące odległość między
punktem, w którym następuje zderzenie, a punktem, w którym cząstki zawierające kwark b
się rozpadają tworząc nowe cząstki; odległość ta jest mierzona z dokładnością 10 μm
•
RICH (Ring Imaging Cherenkov - Detektory Czerenkowa) - dwa detektory służące do
identyfikacji cząstek o pędach rzędu 1-150GeV/c powstałych w wyniku rozpadów mezonów
zawierających kwark b, w tym pionów, kaonów i protonów, usytuowane po obydwu
stronach głównego magnesu LHCb, identyfikują cząstki przelatujące z różnymi
prędkościami i pod różnymi kątami; działanie detektorów oparte jest na zjawisku
Czerenkowa
•
Magnes - zbudowany z dwóch cewek zamontowanych w stalowym jarzmie o masie 1500
ton; każda cewka składa się z 10 aluminiowych segmentów, pole magnetyczne wytwarzane
przez magnes odchyla tory naładowanych cząstek, co pozwala obliczyć ich pęd i pomaga je
zidentyfikować
•
Tracker (Detektor Śledzący) - składający się z czterech elementów, nazwanych TT i T1-T3,
umieszczonych w odległości 3m od siebie (TT przed głównym magnesem, T1-T3 za
magnesem), ma za zadanie znaleźć tory cząstek powstałych w zderzeniu i ich pęd, co
pozwala na zrekonstruowanie kręgów Czerenkowa w detektorach RICH; wykorzystuje dwa
typy detektorów - krzemowe detektory mikropaskowe o szerokości pasków równej 200 μm
zastosowane we wszystkich segmentach, oraz detektory słomkowe o średnicy 5 mm,
28
zastosowane jedynie w segmentach T1, T2 i T3
•
Kalorymetry - umożliwiające identyfikację cząstek neutralnych elektrycznie, tj. fotonów i
neutronów, podzielone są na dwa główne elementy, ECAL (Electromagnetic CALorimeter Kalorymetr Elektromagnetyczny, do pomiaru fotonów), oraz HCAL (Hadron CALorimeter Kalorymetr Hadronowy, do pomiaru energii protonów, neutronów i pionów), umieszczone
jeden za drugim, mają strukturę typu "sandwich", z naprzemiennymi warstwami
metalowymi i plastikowymi (polistyren), emitującymi światło ultrafioletowe w ilościach
proporcjonalnych do energii cząstki
•
Muon System (Detektory Mionowe) - umieszczone na końcu detektora, złożone z pięciu
segmentów o coraz większych wymiarach, wypełnionych 1400 komorami zawierającymi
gazową mieszaninę dwutlenku węgla, argonu i tetrafluorometanu, z którą reagują
przelatujące miony tworząc chmurę elektronów mierzoną przez znajdujące się wewnątrz
komór 2,5 miliona drutowych elektrod
Rys. 3.7 Detektor LHCb
Widoczny jest (od prawej strony) magnes, komory detektory śledzące, kalorymetry i system mionowy (kolejne płyty).
Obraz pobrany ze strony: http://cdsweb.cern.ch/record/1124325
29
Rys. 3.8 Detektor LHCb
Widoczny jest (od prawej strony) detektor wierzchołka VELO, (biały), detektory RICH (niebieskie), magnes (czerwony),
komory detektory śledzące (niebieskie), kalorymetry (zielone i czerwone) i system mionowy (żólto-szary).
3.5 TOTEM
Eksperyment TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation Całkowity Przekrój Czynny, Rozpraszanie Elastyczne i Dysocjacja Dyfrakcyjna), jest jednym z
dwóch mniejszych eksperymentów przy akceleratorze LHC. Jego zadaniem jest pomiar
całkowitego przekroju czynnego w zderzeniach protonów, oraz badania elastycznego rozpraszania i
procesów dysocjacji dyfrakcyjnej. Program badawczy eksperymentu zakłada pomiary całkowitego
przekroju czynnego metodą świetlną z niepewnością nie większą niż 1 milibarn. Wymaga to
jednoczesnego pomiaru rozpraszania elastycznego protonów i nieelastycznych oddziaływań
protonów, oraz dysocjacji dyfrakcyjnej włączającej układy jedno i wielocząstkowe badane z
użyciem ustawionych z przodu detektorów w kombinacji z jednym z dużych detektorów w LHC.
TOTEM zlokalizowany jest przy detektorze CMS.
30
Rys. 3.9 Detektor TOTEM
Detektory
krzemowe
wykorzystane
w
eksperymencie
TOTEM.
Obraz
pobrany
ze
strony:
http://cdsweb.cern.ch/record/1124071
31
Rys. 3.10 Detektor TOTEM
Detektory komory GEM (Gas Electron Multipliers) wykorzystane w eksperymencie TOTEM. Obraz pobrany ze strony:
3.6 LHCf
Eksperyment LHCf (LHC Forward Experiment) jest najmniejszym z eksperymentów
zainstalowanych w kompleksie LHC w CERN. Składa się z dwóch małych kalorymetrów
zlokalizowanych 140 metrów od punktu interakcji detektora ATLAS. Jego zadaniem jest badanie
neutralnych cząstek emitowanych po bardzo małych kątach.
Celem fizycznym eksperymentu jest przygotowanie danych potrzebnych do kalibracji
modeli interakcji hadronowych używanych w badaniach wysokoenergetycznego promieniowania
kosmicznego. Eksperyment LHCf może również pomóc wytłumaczyć pochodzenie promieniowania
kosmicznego o najwyższych energiach.
Dwa detektory LHCf składają się z kalorymetrów zbudowanych z płyt wolframowych,
plastikowego scyntylatora i sensorów wykrywających położenie cząstki. Pomimo że wymiary
32
kalorymetrów są bardzo niewielkie w porównaniu z pozostałymi eksperymentami przy LHC i
wynoszą od 20x20 mm do 40x40 mm, rozdzielczość energetyczna ma być lepsza niż 6%, a
rozdzielczość położenia lepsza niż 0,2 mm dla promieni gamma o energii od 100 GeV do 7 TeV.
Zostało to potwierdzone testami z użyciem akceleratora SPS. Kalorymetry, ze względu na swoje
położenie względem punktu interakcji, mierzą cząstki o wartościach pseudopospieszności
większych niż 8,4.
Rys. 3.11 Detektor LHCf
Jeden z dwóch detektorów LHCf, zmontowany i gotowy do zainstalowania 140 m od punktu interakcji detektora ATLAS.
Obraz pobrany ze strony: http://www.uslhc.us/Images/LHCf_Images
33
Rys. 3.12 Detektor LHCf
Jeden z dwóch detektorów LHCf, zmontowany w tunelu LHC140 m od punktu interakcji detektora ATLAS. Obraz
pobrany ze strony: http://www.uslhc.us/Images/LHCf_Images
34
Rozdział 4.
Eksperyment ALICE
4.1 Uwagi historyczne
Ogólna koncepcja detektora ALICE została po raz pierwszy zaproponowana w 1993 roku w
Liście Intencyjnym przez grupę 400 naukowców w CERN zajmujących się fizyką ciężkich jonów.
Zakładano wówczas, że detektor będzie się składał jedynie z centralnej części. W 1995 roku podjęto
decyzję o dodaniu spektrometru mionowego (zwanego też "Ramieniem Mionowym"). Pierwszy
dokładny opis detektora wraz z większością obecnie zamontowanych podsystemów został
opublikowany 21. września 1995 roku w artykule The ALICE heavy ion experiment at the CERN
LHC autorstwa Jurgena Schukrafta. Wówczas również znane już były główne założenia programu
fizycznego eksperymentu. Na początku zakładano, że podsystemami detektora będą ITS, TPC, PID
(Particle Identification - Identyfikacja Cząstek, odpowiednik obecnego TOF) i PHOS zamknięte w
magnesie solenoidalnym, oraz spektrometr fotonów. Później dodano TRD i mniejsze systemy PMD (Photon Multiplicity Detector - Detektor Krotności Fotonów), ACORDE (Detektor
Promieniowania Kosmicznego), FMD (Forward Multiplicity Detector - Czołowy Detektor
Krotności), HMPID, oraz ZDC (Zero Degree Calorimeters - Kalorymetry Kąta Zerowego,
umieszczone po obu stronach detektora w odległości 118 m).
4.2 Program fizyczny eksperymentu
Eksperyment ALICE ma za zadanie przybliżyć odpowiedzi na fundamentalne pytania
dotyczące pochodzenia materii we Wszechświecie oraz jej obecnego kształtu, za pomocą
ultrarelatywistycznych zderzeń jonów, zapewnianych przez LHC.
Pytania te dotyczą zachowania się materii w temperaturze 100000 razy większej niż
35
temperatura wewnątrz Słońca,
4.2.1 Reakcje ciężkich jonów
Detektor ALICE został zaprojektowany do badania zderzeń ciężkich jonów w LHC. Aby
potwierdzić powstawanie i zbadać zachowanie obszaru QGP powstałego w wyniku zderzenia i
przewidzianego przez QCD, detektor ALICE ma badać szereg obserwabli w sposób systematyczny
i wszechstronny. Niektóre obserwacje są potrzebne do opisu globalnych własności materii powstałej
w wyniku zderzenia, co pozwoli na uszczegółowienie modeli teoretycznych pod względem liczby
stopni swobody, wielkości obszaru QGP, jego gęstości, czasu trwania i ewolucji w czasie. Te
informacje pozwolą na określenie warunków początkowych ewolucji czasoprzestrzennej układu,
potrzebnych do zinterpretowania charakterystycznych sygnałów z detektora jako sygnatur QGP.
Celem jest zbadanie większej liczby tego typu sygnałów razem z globalną informacją o zderzeniach
w tym samym czasie. Sygnały odbierane przed detektor można pogrupować ze względu na czas
występowania (od najwcześniejszych do najpóźniejszych po zderzeniu):
a. Warunki początkowe
Globalne cechy zderzenia mówiące o liczbie zderzających się nukleonów, co pozwala
określić uzyskaną gęstość energii.
b. Plazma kwarkowo - gluonowa (QGP)
Produkcja wolnych kwarków powabnych (kwark c - a ang. "charm" - powabny) pozwoli na
określenie zmiennych kinematycznych nukleonów biorących udział w zderzeniu w jego wczesnej
fazie, szybkie (wysokoenergetyczne) fotony mogą pokazać charakterystyczne promieniowanie
termiczne plazmy, przekroje czynne partonów o wysokim pędzie poprzecznym 1 określą straty
energii partonów w plazmie, a występowanie mezonów J/Psi i Upsilon będzie stanowiło dowód na
uwolnienie kwarków ze stanu związanego.
c. Przemiany fazowe
Produkcja "dziwności" (kwarków s - z ang. "strange" - dziwny) będzie stanowiła dowód
dużej gęstości kwarków s spodziewanej jako wynik odzyskiwania symetrii chiralnej plazmy,
fluktuacje
krotności
cząstek
pozwolą
na
określenie
występowania
skrajnych
zjawisk
charakterystycznych dla przejść fazowych, nakładanie (interferencja) cząstek ma mierzyć ekspansję
układu w czasie, która ma być długa w przypadku przejścia fazowego pierwszego rodzaju.
1. pęd poprzeczny jest składową pędu prostopadłą do kierunku wiązki
36
d. Materia hadronowa
Ilości wyprodukowanych w wyniku zderzenia cząstek, rozkłady pędu poprzecznego i tak
zwane parametry liniowe pozwolą określić dynamiczną ewolucję fazy hadronowej, natomiast
interferometria pozwoli zmierzyć średnicę układu (tzw. "hadronic fireball"), przy której kończą się
oddziaływania elastyczne (tak zwane „wymrażanie termiczne”).
4.2.2 Warunki prowadzenia eksperymentu
Średnio LHC ma dostarczać około 104 zderzeń Pb-Pb na sekundę, z czego tylko kilka
procent (około 100 zderzeń na sekundę) to zderzenia centralne, w wyniku których produkowana jest
duża ilość cząstek. Niewielkie prawdopodobieństwo zajścia badanych zjawisk sprawia, że detektor
powinien łączyć dużą akceptancję geometryczną z prostym systemem wyzwalania zbierania danych
zależnym od centralności zderzeń i możliwość szybkiego zbierania dużych ilości danych. Tempo
pojawiania się danych i ich zbieranie powinno być zgodne z czasem martwym najwolniejszego
podsystemu oraz możliwościami systemu DAQ (DAQ - Data Aquisition - system zbierania
danych). Zbieranie dużych ilości danych pozwoli na poszukiwanie sygnałów, także tych
nieprzewidzianych w istniejących modelach, co jest szczególnie ważne w szybko ewoluującej
dziedzinie, jaką jest fizyka relatywistycznych i ultrarealtywistycznych ciężkich jonów. Na początku,
czasy działania mają być porównywalne z tymi osiąganymi w eksperymentach przy akceleratorze
SPS w CERN by zebrać wystarczająco dużą statystykę przypadków, co oznacza pracę LHC i
ALICE przez 106 sekund rocznie, pozwalając zebrać rocznie dane rzędu 107 przypadków do
analizy. Największy nacisk będzie położony na zderzenia Pb-Pb, kiedy gęstość energii jest
największa. Badanie systemów różnych wielkości (jonów o innych masach niż Pb) pozwoli z kolei
na uzyskanie różnych gęstości energii, natomiast zderzenia typu p-p na początku działania ALICE
pozwolą na zebranie danych kontrolnych dla programu jonowego.
4.2.3 Akceptancja
Akceptancja w pospieszności musi być jak największa, by móc badać zmienne takie jak
produkcja cząstek czy rozkłady pędu poprzecznego w kolejnych zderzeniu, co oznacza
rekonstrukcję kilku tysięcy cząstek w każdym zderzeniu. Duża efektywność wykrywania cząstek o
małych pędach poprzecznych i masach rzędu 1-2 GeV wymaga około dwóch jednostek w
pospieszności, a odrzucanie rozpadów Dalitza (rozpad π0 na elektron i pozyton, będący źródłem
dużej ilości elektronów o niskiej energii), potrzebne do pomiarów par leptonowych, wymaga pełnej
akceptancji w kącie azymutalnym. Ostatecznie, pokrycie centralnych detektorów ALICE wynosi
37
∣∣ <0.9, co jest kompromisem między akceptancją a kosztami.
4.2.4 Śledzenie i określanie pędu cząstki
Szukanie ścieżek, po których poruszają się cząstki powstałe w wyniku zderzeń ciężkich
jonów w LHC jest jednym z największych wyzwań stojących przed detektorem ALICE. Z tego
powodu projekt układu śledzącego został przygotowany z uwzględnieniem przede wszystkim
pewnego i sprawnego rozpoznawania wzorów. Korzysta przy tym z informacji w trzech wymiarach
z detektorów z duża ilością określonych punktów przy słabym polu magnetycznym.
Niska wartość minimalnego mierzalnego pędu, rzędu 100 MeV/c jest spowodowana jest
potrzebą obserwacji efektów występujących w przypadku dużych długości ścieżek, a niskie
odcięcie pędów poprzecznego jest ważne dla tłumienia "miękkich" przemian i tła wynikającego z
rozpadów Dalitza w widmie par leptonowych. Dla wysokich pędów, rozdzielczość musi być
wystarczająca do szukania widma "jetów" poprzez tak zwane cząstki wiodące. System śledzący w
ALICE, w połączeniu ze słabym polem magnetycznym o wartości 0,2 T został zaprojektowany, by
spełnić te i inne wymagania.
4.2.5 Identyfikacja cząstek (PID - Particle IDentification)
Zakres pędów dla identyfikacji cząstek dla większości sygnałów hadronowych może być
ograniczony do kilku wielokrotności średniego pędu poprzecznego, ponieważ więcej niż 97%
naładowanych cząstek ma pęd poprzeczny o wartości poniżej 2 GeV, a zaledwie 0,02% ma pęd
poprzeczny powyżej 5 GeV.
38
Rozdział 5.
Struktura detektora ALICE
Poniższe rysunki prezentują ogólny zarys budowy detektora ALICE. Zostały one
wygenerowane z wykorzystaniem środowiska ALIROOT i programu Blender.
Widoczna jest centralna część detektora, ramię mionowe (po lewej stronie), magnes ustawiający wiązkę (niebieski, po
lewej stronie) i obudowa detektora z betonu (szara)
39
Widoczne są wszystkie podsystemy umieszczone w centralnej części detektora (Central Barrel)
Rys. 5.3 Uproszczona geometria detektora ALICE i zarejestrowane ślady cząstek
Widoczny jest ITS (różowo-zielono-fioletowy, w środku), TPC (niebiesko-szary), TOF (czerwony), HMPID (niebieski,
40
na górze), PHOS (żółty, na dole), oraz ślady zarejestrowanych cząstek wraz z rekonstrukcją torów lotu (kolorowe
punkty i linie). Jest to wizualizacja rzeczywistego zderzenia protonów przy energii 2,36 TeV na parę protonów (ósme
zderzenie pochodzące z „runu” 104068). Rysunek wykonany z pomocą środowiska AliRoot.
Centralna część detektora, pokrywająca ±45º (co odpowiada wartościom pospieszności
∣∣ <0,9) i pełny kąt azymutalny, jest zamontowana w dużym magnesie zapewniającym słabe
pole magnetyczne o wartości 0,2 T. Detektor składa się z systemów (w kolejności "od środka"): ITS
(Inner Tracking System - wewnętrzny system śledzący), składający się z sześciu warstw śledzących
detektorów krzemowych o wysokiej rozdzielczości, cylindryczny TPC (Time Projection Chamber Komora Projekcji Czasowej), TOF (Time Of Flight - Detektor Czasu Przelotu) o dużej powierzchni
do identyfikacji cząstek i dodatkowo mniejsze detektory, EMCal (ElectroMagnetic Calorimeter Kalorymetr Elektromagnetyczny), PHOS (PHOton Spectrometer - Spektrometr Fotonów) i HMPID
(High Momentum Particle Identification - Identyfikacja Cząstek o Wysokich Pędach),
zoptymalizowany dla cząstek o najwyższych pędach.
Dodatkowy czołowy spektrometr mionów będzie ma akceptancję 2-10º dla
2,44 ,
zbudowany jest ze złożonego układu absorberów, magnesu dipolowego i dwunastu komór
śledzących i wyzwalających.
Zestaw uzupełnia układ dwóch ZDC (Zero Degree Calorimeter - Kalorymetr Zera Stopni),
umieszczonych daleko (około 200 m od centralnej części detektora) w tunelu LHC, oraz FMD
(Forward Multiplicity Detector) pokrywający znaczącą część przestrzeni fazowej (  >4).
5.1 ITS
Główne funkcje Wewnętrznego Systemu Śledzącego, czyli rekonstrukcja wtórnych
wierzchołków rozpadów cząstek powabnych (zawierających kwark c) i hiperonów, identyfikacja
cząstek i śledzenie cząstek o małych pędów i poprawianie rozdzielczości pędowej osiągane są
dzięki sześciu cylindrycznym warstwom detektorów o wysokiej rozdzielczości. Ich położenie i
kształt zostały zoptymalizowane w celu zapewnienia efektywnego rozpoznawania wzorów i
wysokiej rozdzielczości parametru zderzenia. Ze względu na dużą gęstość cząstek (ponad 50 cm -2),
cztery wewnętrzne warstwy ( r ≤24 cm) składają się z dwuwymiarowych detektorów.
Zewnętrzna warstwa wyposażona jest w podwójne krzemowe detektory paskowe. ITS dzieli się na
trzy części po dwie warstwy, nazwane SPDs (Silicon Pixel Detectors - Krzemowe Detektory
Pikselowe), SDDs (Silicon Drift Detectors - Krzemowe Detektory Dryftowe) i SSDs (Silicon Strip
Detectors - Krzemowe Detektory Paskowe), wymienione w tabeli.
41
Warstwa Typ
r [cm]
±z [cm]
Pole [m2]
1
pikselowy 3,9
12,25
0,06
2
pikselowy 7,6
16,3
0,17
3
dryftowy
14
21,1
0,37
4
dryftowy
24
29,6
0,89
5
paskowy
40
45,1
2,27
6
paskowy
45
50,4
2,85
Całkowita powierzchnia = 6,61 m2
Tab. 1. Segmenty detektora ITS
Sumaryczna powierzchnia wszystkich detektorów ITS wynosi 6,61 m2. Detektor ITS
pokrywa przedział średnich wartości pospieszności ( ∣∣ <0,9) dla wierzchołków (punktów
zderzenia nukleonów) położonych w zakresie do 10,6 cm w kierunku wiązki.
Rys. 5.4 Wyniki pomiaru przy pomocy detektora ITS
Widoczne jest sześć warstw detektora (licząc os środka): pierwsza i druga to SPD, trzecia i czwarta to SDD, piąta i
szósta to SSD. Niebieskie punkty to zarejestrowane sygnały. Jest to wizualizacja wyniku pomiaru jednej wiązki krążącej
w LHC („run” 101235).
42
5.1.1 SPDs
Krzemowe Detektory Pikselowe zostały wybrane do zabudowy dwóch wewnętrznych
warstw detektora ITS ze względu na ich wysoką ziarnistość, bardzo wysoką rozdzielczość
przestrzenną, rozdzielczość podwójnych uderzeń (od lecących cząstek), szybkość działania,
prostotę kalibracji i ustawienia. Podzielenie detektora na wiele małych segmentów pozwala na
zmniejszenie pojemności poszczególnych segmentów i szumu, choć zwiększa ilość kanałów.
Podstawowy segment SPDs jest długi na 81 mm, szeroki na 13,3 mm ma grubość 0,15 mm,
podzielony na 256x256 komórek, połączonych w 16 płatów, każdy zawierający 4096 komórek.
Każda komórka ma wymiary 50x300 μm.
Gdy cząstka naładowana przechodzi przez detektor, następuje kreacja pary elektron - dziura
elektronowa, pod wpływem napięcia przemieszczające się w stronę przeciwnych powierzchni
detektora, do jednej z nich przymocowany jest układ rejestrujący impulsy, co pozwala określić, w
którym miejscu przeszła cząstka. Niestety, ten sposób działania nie pozwala na pomiar straty energii
(dE/dx) cząstki.
Rys. 5.5 ITS SPDs
Montaż
detektorów
pikselowych
SPD
(zielone
płytki
umieszczone).
Zdjęcie
pobrano
ze
strony:
43
Rys. 5.6 ITS SPDs
Sposób montażu dwóch warstw detektorów pikselowych SPD. Rycina pochodzi z Technical Design Report: Inner
Tracking System.
5.1.2 SDDs
Krzemowe Detektory Dryftowe, stanowiące dwie środkowe warstwy ITS, umożliwiają
wyznaczanie torów naładowanych cząstek, oraz na określenie strat energii poniesionych przez nie
podczas przechodzenia przez detektor, co umożliwia ich identyfikację. 260 modułów SDD, każdy o
wymiarach 75x73 mm, zamontowanych cylindrycznie na kratownicach o trójkątnym przekroju,
zawiera w sumie 34 miliony komórek o powierzchni 130x300 μm i grubości 300 μm. Dzięki
niewielkim wymiarom komórki, rozdzielczość detektora (minimalna odległość dwóch cząstek, by
możliwe było ich rozróżnienie) wynosi 200 μm w kierunku prostopadłym do wiązki i 600 μm w
kierunku równoległym.
Działanie detektora opiera się na kreacji par elektron-dziura, które pod wpływem pola
elektrycznego zaczynają się poruszać w stronę przeciwnych elektrod. Pomiarowi podlega czas
dojścia ładunku do elektrody oraz jego rozkład, co pozwala wyznaczyć współrzędne punktu, przez
który przeszła cząstka, natomiast ilość ładunku pozwala na określenie, jaką energię cząstka straciła,
co pozwala na jej identyfikację.
44
Rys. 5.7 ITS SDDs
Widoczna jest zewnętrzna warstwa detektorów dryftowych umieszczonych na stelażu. Zdjęcie pochodzi ze strony:
http://cdsweb.cern.ch/
5.1.3 SSDs
Dwie zewnętrzne warstwy detektora ITS składają się z 782 i 988 dwustronnych
Krzemowych Detektorów Paskowych (Silicon Strip Detector), z których każdy ma wymiary 75x42
mm i grubość 300 μm. Po każdej stronie detektora zamontowanych jest 768 pasków. Warstwy SSD
odpowiadają za łączenie torów znalezionych przez detektor TPC i ITS, dostarczają również
informacji o stratach energii, co pomaga identyfikować cząstki o małym pędzie.
W detektorze paskowym elektrony i dziury elektronowe powstałe w wyniku przejścia
cząstki naładowanej trafiając do pasków po przeciwnych stronach modułu detektora. Znając
numery i położenia pasków, możliwe jest określenie miejsca, przez które przeszła cząstka. Dla
lepszego rozróżniania blisko lecących cząstek paski nie przecinają się pod kątem prostym. Straty
energii cząstki mierzone są na podstawie wielkości ładunku zostawionego w detektorze.
45
Rys. 5.8 ITS SSDs
Widoczna jest zewnętrzna warstwa detektorów paskowych umieszczonych na stelażu. Zdjęcie pochodzi ze strony:
Rys. 5.9 ITS SSD
Widoczny jest pojedynczy segment detektora paskowego. Zdjęcie pochodzi ze strony: http://cdsweb.cern.ch/
46
5.2 TPC
Komora Projekcji Czasowej została wybrana jako główny detektor śledzący detektora
ALICE ze względu na efektywność i sprawność pracy, pomimo jego małej szybkości działania i
ilości danych. System ten gwarantuje jednak pewne śledzenie nawet do 8000 naładowanych cząstek
na jednostkę pospieszności. Ma kształt wydrążonego cylindra z wewnętrzną elektrodą. Jego
wewnętrzna średnica wynosi 1140 mm ze względu na maksymalną akceptowalną gęstość trafień
(0,1 cm-2), natomiast promień zewnętrzny wynosi 5560 mm i jest to wartość określona ze względu
na precyzję pomiaru strat energii cząstki (dE/dx), dla którego założono rozdzielczość mniejszą niż
7%. Dzięki takiej rozdzielczości i zdolności do śledzenia cząstek TPC może również służyć do
identyfikacji elektronów o pędach mniejszych niż 2,5 GeV/c. Długość detektora wynosi 5500 mm.
Konstrukcja zewnętrznych płyt detektora pokrytych czujnikami i wybór gazu wypełniającego
detektor zostały zoptymalizowane ze względu na rozpoznawanie lecących blisko cząstek.
Wewnątrz detektora znajduje się centralna elektroda (nazywana HV). Różnica potencjałów
między elektrodą a zewnętrznymi ścianami detektora wynosi -100 kV, dzięki czemu wewnątrz
detektora jest stałe pole elektryczne o natężeniu 400 V/cm, które kieruje elektrony powstałe w
wyniku przejścia naładowanej cząstki przez gaz roboczy w stronę zewnętrznych ścian detektora.
Podstawą działania detektora TPC jest jonizacja gazu wewnątrz przez przelatujące przezeń
naładowane cząstki. Gazem roboczym w TPC jest mieszanina 90% Neonu i 10% dwutlenku węgla
pod stałym ciśnieniem. Przelatująca cząstka jonizuje gaz tworząc chmurę elektronów, która, w
wyniku działania pola elektrycznego, zaczyna się przesuwać w stronę zewnętrznych ścian
detektora. Pokonanie 2,5 m nie może zająć więcej niż 100 μs, stąd określono pole elektryczne na
poziomie 400 V/cm. Na zewnętrznych ścianach TPC umieszczone jest 560000 małych detektorów,
które mają za zadanie określić miejsce dotarcia elektronów do ściany, dając dwuwymiarowy rzut
ścieżki, po której poruszała się cząstka. Mierzony jest również dotarcia każdego elektronu do
detektora. Ponieważ w detektorze obecne jest również wzdłużne pole magnetyczne, możliwy jest
pomiar pędu cząstki (poprzez zagięcie toru), a gęstość chmury elektronowej pozwala na
rozróżnianie różnych cząstek, na przykład pionów i protonów. Pomiar składowych x i y
(prostopadłych do kierunku wiązki), oraz czasu dotarcia chmury do zewnętrznych ścian detektora
pozwala na zrekonstruowanie trójwymiarowego śladu cząstki. TPC jest zatem 500-megapikselową
kamerą 3D pracującą z prędkością do 200 klatek na sekundę.
Dane Techniczne:
47
•
Detektor dryfowy
•
Długość: 5100 mm
•
Promień wewnętrzny: 845 mm
•
Promień zewnętrzny: 2466 mm
•
18 segmentów zawierających 557 568 padów:
•
Wypełnienie: mieszanina Ne, Co2 (90/10)
•
Objętość gazu: 85 m3
•
Pole elektryczne: 400V/cm
Rys. 5.10 TPC
Wnętrze detektora TPC w czasie montażu. Zdjęcie pochodzi ze strony: http://cdsweb.cern.ch/
48
Rys. 5.11 Umiejscowienie detektora TPC wewnątrz ALICE.
49
Rys. 5.12 TPC i zarejestrowane ślady cząstek
Widoczny TPC (szary), TOF (czerwony), HMPID (niebieski), PHOS (żółty), oraz ślady zarejestrowanych cząstek. Jest
to wizualizacja rzeczywistego zderzenia protonów przy energii 2,36 TeV na parę protonów (szóste zderzenie pochodzące
z „runu” 104068). Rysunek wykonany z pomocą środowiska AliRoot.
5.3 Systemy identyfikacji cząstek (PID – Particle IDentification)
Identyfikacja cząstek w dużej części przestrzeni fazowej dla wielu rodzajów cząstek jest
jednym z podstawowych zadań detektora ALICE, niezbędnym do analizy części sygnałów (ilości
kwarków różnych typów, równowaga chemiczna, pary leptonowe). Poza wymienionymi wcześniej
systemami ITS i TPC, zapewniającymi informację o stratach energii niezbędną do identyfikacji
elektronów i hadronów o niskich pędach, przygotowano dodatkowe dwa systemy dedykowane
identyfikacji cząstek, jeden o dużej akceptancji dla cząstek o średnich pędach (detektor TOF - Time
50
Of Flight) i jeden mały detektor dla cząstek o najwyższych pędach (detektor HMPID - High
Momentum Particle Identification).
Detektory te muszą spełniać następujące założenia:
a. Identyfikacja hadronów o małych i średnich pędach
Dla pomiarów ilości cząstek i określenia pędu stabilnych hadronów możliwe jest
ograniczenie zakresu badanych pędów do kilku wielokrotności średniego pędu poprzecznego,
ponieważ nawet dla najwyższych średnich krotności w jednym zderzeniu niemożliwe jest
zbudowanie dobrej statystyki dla pędów powyżej 2 GeV/c. Z drugiej strony, potrzebny jest duży
detektor pokrywający pełną centralną akceptancję ALICE ( ∣∣ <0,9), ponieważ interpretacja
wielu sygnałów zależy od ilości cząstek w akceptancji. Metodą identyfikacji cząstek dla dużych
akceptancji jest pomiar strat energii dE/dx w TPC i ITS (małe pędy), oraz TOF (wysokie pędy).
b. Identyfikacja hadronów o dużych pędach
Do
identyfikacji
cząstek
o
pędach
powyżej
1,5-2
GeV/c,
przygotowany
jest
wyspecjalizowany detektor HMPID (High Momentum Particle Identification - identyfikacja cząstek
o wysokim pędzie), w którym pomiar przebiega dzięki zjawisku promieniowania Czerenkowa. Jest
to mały detektor, pokrywający około 5% centralnej akceptancji.
5.3.1 TOF
TOF (Time Of Flight – Detektor Czasu Lotu) jest przeznaczony do identyfikacji
naładowanych cząstek w jak największej części przestrzeni fazowej. Założenia programu
fizycznego eksperymentu ALICE wymagają posiadania przez detektor TOF wielu specyficznych
charakterystyk. Musi mieć na tyle dużą akceptancję w pospieszności, aby pokryć całą akceptancję
centralnej części ALICE, co umożliwia badanie istotnych sygnałów w pojedynczych zderzeniach.
Oznacza to, że że duża liczba hadronów w zakresie średnich pędów rzędu 1 GeV/c musi być
zbadana. Dokładniej, detektor TOF powinien być w stanie badać hadrony o pędach od 0,5 GeV/c,
co jest górnym limitem dla separacji kaonów i pionów w detektorach ITS i TPC, do około 2,5
GeV/c, co jest limitem dla pojedynczych zderzeń wynikających ze statystyki. Co więcej czas
wewnętrznej reakcji detektora powinien być poniżej 100 ps, a „całkowity” czas reakcji 120 ps,
wliczając wszystkie źródła opóźniające czas reakcji, powinien zagwarantować separację na
poziomie 3 sigm do 1,9 GeV/c dla pionów i kaonów oraz do 3,2 GeV/c dla protonów i kaonów.
Ponieważ TOF ma pokryć dużą powierzchnię, jedynym rozwiązaniem jest detektor gazowy, a
dokładniej detektor typu MRPC (Multigap Resistive Plate Chamber).
51
Kluczowym elementem tej konstrukcji jest zastosowanie silnego, jednorodnego pola
elektrycznego w całej komorze gazowej detektora. Każda jonizacja wywołana przez przelatującą
naładowaną cząstkę natychmiast wywołuje wyładowanie lawinowe w gazie, które generuje
obserwowany sygnał na elektrodach.
Przeprowadzone testy pokazały, że detektor TOF ma czas reakcji mniejszy niż 50 ps i
efektywność
na
poziomie
99,9%.
Detektor TOF pokrywa powierzchnię cylindryczną o promieniu 3,7 m, akceptancję w kącie
polarnym
o
45 ≤≤135
o
i pełne pokrycie w kącie azymutalnym
 . TOF ma strukturę
modułową, zbudowany jest z 90 modułów i 1638 detektorów MRPC, z których każdy ma
powierzchnię aktywną równą 121,5x7,4 cm2.
Dane Techniczne:
•
Detektory MRPC
•
Szerokość szczelin między płytkami: 250μm
•
Kąt azymutalny: 360°
•
Kąt biegunowy: 45° < φ < 135°
•
Całkowita liczba pasków: 1638
•
Wymiary paska 7,4 na 120 cm
•
Całkowita liczba kanałów: 157248
•
Wymiary pojedynczego pola odczytu: 3,5 cm na 2,5 cm
•
Całkowita powierzchnia aktywna: 141m2
•
Gaz roboczy: C2H2F4 (90%), i-C4F10 (5%), SF6 (5%)
52
Rys. 5.13 TOF
Widoczny jest jeden z modułów TOF gotowy do instalacji w ALICE. Zdjęcie pobrano ze strony:
53
Rys. 5.14 Instalacja TOF
Instalacja modułu TOF wewnątrz detektora ALICE. Zdjęcie pobrano ze strony: http://cdsweb.cern.ch/record/1120454
5.3.2 HMPID
HMPID (High Momentum Particle IDentification – Detektor Cząstek o Dużych Pędach)
zbudowany jest z siedmiu modułów RICH (Ring Imaging Cherenkov counter – detektor
Czerenkowa). Jego zadaniem jest rozróżnianie cząstek o dużych pędach, np. pionów i kaonów (1-3
GeV/c), oraz protonów i kaonów (2-5 GeV/c). Promieniowanie Czerenkowa powstaje w wyniku
przejścia przez ośrodek (w tym przypadku C6F14) naładowanej elektrycznie cząstki o prędkości
większej od prędkości światła w tym ośrodku. Mechanizm powstawania tego zjawiska jest
analogiczny do powstawania fali uderzeniowej w powietrzu, gdy samolot przekracza prędkość
dźwieku. Detektory Czerenkowa składają się z dwóch części, „radiatora”, w którym zachodzi
zjawisko Czerenkowa, oraz detektora fotonów, który przekształca światło w impulsy elektryczne.
Kąt emisji promieniowania Czerenkowa proporcjonalny jest do szybkości cząstki. W ten sposób
formowany jest stożek światła, którego kształt określa prędkość cząstki 1. Foton z promieniowania
Czerenkowa wybija elektron z katody pokrytej CsI, który jest następnie przyciągany i
przyspieszany w stronę anody (ze względu na pole elektryczne), co powoduje kaskadową jonizację
ośrodka (CH4). Zarejestrowany impuls elektryczny jest proporcjonalny do energii przelatującego
1. np. jeżeli tor lotu cząstki jest prostopadły do powierzchni detektora, wykrytym obrazem będzie
pierścień o promieniu odpowiadającym szybkości cząstki
54
fotonu.
Dane Techniczne:
•
Całkowita powierzchnia detektora: 11,5 m2
'Radiator':
•
Substancja robocza: C6F14 (ciecz)
•
Wymiary 21 pojemników na substancję roboczą: 1330 x 413 x 24 mm
•
System cyrkulacji i oczyszczania substancji roboczej: grawitacyjny
•
Przepływ substancji roboczej w układzie: 4 l/h;
Fotodetektor CsI:
•
Substancja robocza: CH4
•
Wymiary fotokatody: segmentu: 64 x 40 cm2 , bloku:8 x 8,4 mm2
•
Napięcie anody: 2050 V; katody: 0 V (uziemienie)
•
Efektywność wykrycia pojedynczego elektronu: ~90%
•
Grubość warstwy światłoczułego CsI: 300 nm
Rys. 5.15 HMPID
Instalacja detektora TOF wewnątrz detektora ALICE. Zdjęcie pobrano ze strony: http://cdsweb.cern.ch/record/1045408
55
Rys. 5.16 HMPID
Pojedynczy
moduł
HMPID
przed
zamontowaniem
w
detekorze
ALICE.
Zdjęcie
pobrano
ze
strony:
5.4 PHOS
PHOS (PHOton Spectrometer – Spektrometr Fotonów) jest zaprojektowany do badania
fotonów powstałych w wyniku zderzeń cząstek w LHC. Składa się z 17920 kryształów
scyntylacyjnych PWO (PbWO4), każdy o rozmiarach 22x22x180mm oraz fotodiod lawinowych
APD (Avalanche Photo Diode) do odczytu światła scyntylacyjnego. Cały detektor ma akceptancję
100º w kącie azymutalnym i ∣∣≤0,12 w pseudopospieszności. Waży 12,5 tony.
W detektorze PHOS zamontowano kryształy PWO ze względu na ich szybki sygnał i mały promień
Moliera.
Kryształy są utrzymywane w temperaturze -250 stopni Celsjusza. Długość
scyntylacyjnego światła waha się od 400 do 500 nm.
56
Dane Techniczne:
•
5 modułów
•
każdy moduł zawiera 56 x 64 kryształów PWO co razem daje 17920 kryształów
•
rozmiar kryształu 22 x 22 x 180 mm2
•
całkowita powierzchnia 8 m2
•
całkowita waga kryształów 12.5t
•
temperatura pracy -250 C
Rys. 5.17 PHOS
Pojedynczy moduł PHOS przed zamontowaniem w detektorze ALICE. Zdjęcie pobrano ze strony: http://cdsweb.cern.ch/
57
Rys. 5.18 Kryształ PbWO4
Kryształ PbWO4 wykorzystywany w PHOS jako scyntylator. W pięciu modułach detektora zamontowanych jest niemal
18 tysięcy takich kryształów. Zdjęcie pobrano ze strony: http://cdsweb.cern.ch/
5.5 Magnes Solenoidalny
Magnes Solenoidalny został skonstruowany na potrzeby wcześniejszego eksperymentu L3
przy LEP, a następnie zaadaptowano go na potrzeby eksperymentu ALICE. Jego zadaniem jest
wytwarzanie jednorodnego pola magnetyczne skierowanego równolegle do osi wiązki z LHC.
Wewnątrz magnesu zamknięte są wszystkie detektory centralne ALICE. Magnes ma kształt
cylindryczny, ma 12 m długości, 16 m szerokości i 16 m wysokości. Konstrukcje pomocnicze
podtrzymujące detektory wewnątrz magnesu są zbudowane z materiałów niemagnetycznych.
Solenoid składa się z ośmiokątnej aluminiowej cewki, chłodzonej demineralizowaną wodą przez
zewnętrzne obwody.
Pole magnetyczne magnesu zakrzywia tory naładowanych elektrycznie cząstek powstałych
w wyniku zderzeń w LHC. Znajomość promienia krzywizny pozwala na określenie pędu cząstki i
jej ładunku elektrycznego. Wraz z rekonstrukcją torów, znacznie ułatwia to identyfikację cząstek o
58
pędach powyżej 100 MeV/c
Dane Techniczne:
•
Nominalna indukcja magnetyczna: 0.5 T
•
Moc: 4.2 MW
•
Zgromadzona energia: 150 MJ
•
Wewnętrzny promień cewki: 5,930 m
•
Średni promień cewki: 6,375 m
•
Całkowite wymiary: 14,1 x15,8 x 15,8 m
•
Całkowita masa: 7800 t
Rys. 5.19 Magnes L3
Wnętrze magnesu solenoidalnego przed zamontowaniem centralnych detektorów. Srebrna powierzchnia to wewnętrzna
cewka magnesu. Przez otwory we wrotach magnesu przebiega fragment LHC. Zdjęcie pobrano ze strony:
59
Rys. 5.20 Magnes L3
Instalacja jednych z wrót magnesu. Zdjęcie pobrano ze strony: http://cdsweb.cern.ch/record/43081
5.6 Detektory mionowe (Muon Arm)
Ramię mionowe detektora ALICE przeznaczone jest do pomiarów sygnałów mionowych ze
zderzeń w LHC, a w szczególności do rejestracji cząstek zawierających kwarki powabne (c) i
piękne (b). Masy tych cząstek określa się poprzez pomiary energii mionów oraz kąty pomiędzy
nimi. Pierwszym elementem systemu jest magnes dipolowy. Wytwarza on pole magnetyczne
60
skierowane poziomo, prostopadle do kierunku wiązki. Pole magnetyczne odchyla naładowane
cząstki, w tym przypadku miony. Magnes dipolowy poprzez odchylanie toru lotu mionów
umożliwia pomiar ich pędu w dalszych detektorach należących do ramienia mionowego.
Składa się z dwóch symetrycznych cewek w kształcie siodła zbudowanych z 12 warstw, każda
zawierająca 14 zwojów, wykonanych z aluminiowych elementów chłodzonych wodą destylowaną.
Jarzmo magnesu wykonane jest ze stali węglowej. Przy nominalnej wartości generowanego pola
magnetycznego równej 0,7 T, mocy 4MW i masie ponad 820 ton jest to największy magnes
dipolowy na świecie.
Dane Techniczne:
•
Magnes dipolowy
•
Nominalna wartość pola magnetycznego: 0,7 T
•
Wysokość: 8840 mm
•
Szerokość: 7082 mm
•
Długość: 4968 mm
•
Masa: ponad 820 t
•
Chłodzenie: woda destylowana
•
Materiał cewek: aluminium
•
Materiał jarzma: stal węglowa
Następnym elementem ramienia mionowego jest układ śledzący. Składa się on z pięciu
stacji zawierających po dwie komory drutowe o prostopadle umieszczonych elektrodach, co
umożliwia wyznaczenie współrzędnych x i y punktu, przez który przelatuje mion. Między katodami
znajdują się anody, a komorę wypełnia odpowiednia mieszanka gazowa.
Mion przechodzący przez komorę drutową jonizuje gaz i powstałe jony dryfują w polu
elektrycznym wytworzonym przez anody i katody. Odczyt impulsu na konkretnym przewodzie
detektora umożliwia identyfikację punktu, przez który przeszła cząstka. Detektor zawiera ponad
80 000 kanałów odczytu impulsów, co zapewnia dużą precyzję wyznaczania torów cząstek. Dwie
stacje znajdujące się przed i za magnesem dipolowym, mierzą odchylenie śladów, zaś stacja
umieszczona centralnie wewnątrz magnesu uzupełnia informację
61
Dane Techniczne:
•
Odległość katoda-anoda : 2.54 mm3
•
Łącznie kanałów detekcji : 828 x102
Kolejnym elementem ramienia mionowego jest układ wyzwalania, złożony z dwóch komór.
Stosuje on dwa poziomy wyboru zdarzeń. Wyzwalanie pierwszego poziomu odrzuca większość
niskoenergetycznych mionów powstałych z rozpadów poza zainteresowaniem grupy ALICE.
Wyzwalanie drugiego poziomu dokonuje selekcji poprzez obliczanie masy niezmienniczej pary
mionów. Komory wyzwalania zajmują powierzchnię około 6 x 6 m z otworem w środku o
rozmiarach 0.6 x 0.6 m, przez który przechodzi rura doprowadzająca wiązkę.
Każda ze stacji systemu wyzwalania pomiarów składa się z powierzchni otoczonej płytami
grafitowymi pełniącymi funkcję izolacyjną. Po zewnętrznych stronach płyt znajdują się elektrody
do których podłączono wysokie napięcie. Odczyt sygnału jest rejestrowany poprzez paski
umieszczone prostopadle względem siebie na całej powierzchni.
Dane Techniczne:
•
Rozdzielczość czasowa : 2 ns
•
Efektywność : 98%
•
Czas reakcji : 2ns
Za komorami śledzącymi znajduje się filtr hadronów
mający postać postać ściany
wykonanej z czystego żelaza wymiarach 14,7x15,9x1,2m. Jego zadaniem jest jest osłona dwóch
stacji wyzwalania systemu śledzenia, oraz zatrzymanie niskoenergetycznych cząstek przy
jednoczesnym utrzymaniu odpowiedniego poziomu rozpraszania wysokoenergetycznych mionów,
na akceptowalnym przez umieszczone za filtrem podzespoły wyzwalające.
Dane Techniczne:
•
Wysokość : 14,7 m
•
Szerokość : 15,9 m
•
Grubość : 1,2 m
•
Waga : około 300 t
62
Rys. 5.21 Detektory mionowe – Magnes Dipolowy
Magnes dipolowy służy (żółto-niebieski element po prawej stronie) do odginania torów lotu mionów, co pozwala na
obliczenie ich pędów na podstawie informacji z komór śledzących.
63
Rys. 5.22Detektory mionowe- komory śledzące i komory wyzwalania
Detektory mionowe tworzące ramię mionowe (zaznaczone na zielono). Rysunek został zrobiony z wykorzystaniem
środowiska AliRoot.
64
Rozdział 6.
Dokumentacja i prezentacja eksperymentu ALICE
6.1 Środowisko
6.1.1 ROOT
Środowisko ROOT, powstałe z myślą o analizowaniu dużych ilości danych pochodzących z
eksperymentów fizyki wysokich energii, jest wciąż rozwijanym oprogramowaniem, którego
początki sięgają połowy lat 90. XX wieku i eksperymentu NA49 przy akceleratorze SPS w CERN.
Jego twórcami są René Brun i Fons Rademakers, którzy współtworzyli również poprzedników
środowiska ROOT, czyli projekty PAW, PIAF i GEANT, również poświęcone fizyce jądrowej.
W przeciwieństwie do poprzedników, środowisko ROOT w pełni korzysta z zalet obiektowości, to
znaczy pojęcia klasy, obiektu, oraz dziedziczenia, co pozwala na jego łatwe rozwijanie i
modyfikowanie, oraz oparte jest na składni języka C++ (wcześniej fortran). Interpreterem C++ jest
stworzony przez Masa Goto CINT, który jest wykorzystywany przez ROOT do odczytywania linii
komend i przetwarzania skryptów.
65
Rys. 6.1 Okno ROOT
Rys. 6.2 Otwarta sesja ROOT
Ewolucja środowiska ROOT w dużej mierze opiera się na działalności jego użytkowników,
co skutkuje jego rozwojem w kierunku wyznaczonym przez fizyków skupionych wokół
eksperymentów wysokich energii. Rozwój ten jest uzależniony od ciągłej komunikacji między
głównymi twórcami (developers) a użytkownikami, która odbywa się za pośrednictwem listy
mailingowej ROOT, zwanej roottalk.
66
Rys. 6.3 ROOT Talk
Strona główna forum ROOT Talk
ROOT jest środowiskiem programistycznym, co oznacza, że jego użytkownik programując
ma do dyspozycji wiele wcześniej przygotowanych narzędzi. Dzięki temu przygotowywanie
skryptów i programów jest ułatwione, ponieważ nie potrzeba budować od początku specyficznych
obiektów, takich jak np. histogramy. Podstawowymi narzędziami zapewnianymi przez ROOT i
najczęściej wykorzystywanymi przez użytkowników są: interpretator linii komend, histogramy,
dopasowywanie funkcji, GUI (Graphical Users Interface - Graficzny Interfejs Użytkownika),
grafika 2D i 3D, strumienie wejścia/wyjścia, wykonywanie skryptów, komunikacja sieciowa i
przetwarzanie równoległe (PROOF).
Zaletami korzystania ze środowiska programistycznego są zatem:
a) mniejsza ilość kodu do napisania, użytkownik może się opierać na już gotowych do
użycia i dostosowania do swoich potrzeb rozwiązaniach
b) większa stabilność przygotowanego kodu, gdyż jego działanie opiera się na
przetestowanych wcześniej narzędziach zintegrowanych z resztą środowiska
c) większa przejrzystość i jednorodność kodu, korzystanie z już przygotowanych rozwiązań,
co sprawia, że programy przygotowane przez różne osoby mają podobną budowę i mogą ze
sobą współpracować, ułatwione jest również podzielenie ich na małe części
d) łatwiejsze przygotowywanie i obsługa kodu pozwala na poświęcenie większej uwagi
67
analizowanym danym
e) nawet niezaawansowany użytkownik może przygotowywać interfejs bądź rozwiązania
graficzne
Użytkownicy skupieni wokół największych eksperymentów fizyki wysokich energii
przygotowują dodatkowe biblioteki na bazie środowiska ROOT dedykowane ich analizom
prowadząc do rozwoju nowych środowisk, takich jak ROOT4STAR (dla eksperymentu STAR przy
akceleratorze RHIC w Brookhaven National Laboratory) bądź AliRoot (dla eksperymentu ALICE
przy LHC w CERN).
Strona internetowa projektu ROOT ma adres http://root.cern.ch/drupal/ i zawiera pliki
instalacyjne dotychczasowych edycji ROOT, podręcznik użytkownika (User's Guide), opisy
wszystkich klas zaimplementowanych w środowisku (Reference Guide), oraz rozbudowany
samouczek pozwalający opanować jego podstawy (Tutorial).
Poniższy rysunek prezentuje jedną z klas graficznych wbudowanych w środowisko ROOT.
Program został przygotowany w środowisku ROOT podczas zajęć z Komputerowej Analizy
Danych Doświadczalnych.
68
Rys. 6.4 ROOT
Przykładowy output programu ROOT
6.1.2 AliRoot
AliRoot jest środowiskiem opartym na ROOT stworzonym na potrzeby grupy skupionej
wokół detektora ALICE w CERN. Oprócz narzędzi zapewnianych przez ROOT dysponuje on
dodatkowymi funkcjami związanymi ze specyficznymi funkcjami tego detektora i prowadzonymi
przez niego analizami, takimi jak analizy mionowe. Jako główne narzędzie pracy w detektorze
ALICE AliRoot zapewnia następujące funkcje:
1) Symulacje
Zanim akcelerator LHC zaczął działać dostarczając zderzających się wiązek protonów,
grupa ALICE analizowała symulowane dane. Ponieważ zderzenia ciężkich jonów produkują w
finałowej fazie ogromną liczbę cząstek, są dużym wyzwaniem dla algorytmów odpowiadających za
rekonstrukcję i analizę zderzeń. Projekt detektora i rozwój algorytmów wymagał przewidywalnych
i dokładnych symulacji odpowiedzi poszczególnych elementów detektora. Uzywane modele
69
zderzeń przewidują średnią produkcję cząstek na poziomie 1400 do 8000 cząstek na jednostkę
pospieszności w zderzeniach jonów ołowiu. Modele te powstały w oparciu o wyniki
eksperymentów przy akceleratorze SPS w CERN, który osiąga energię około 20 GeV w środku
masy na parę nukleonów, zatem 300 razy mniejszą, niż w akceleratorze LHC, oraz eksperymentów
przy akceleratorze RHIC w Brookhaven National Laboratory w USA, który operuje energią około
30 razy mniejszą niż osiągana przez LHC. Ekstrapolacja tych wyników doprowadziła do takiego
oszacowania krotności (ilości cząstek produkowanych w zderzeniu) w LHC. Niestety, różne modele
zderzeń dostarczają różnych wyników dla energii na poziomie LHC, co implikuje konieczność
używania wielu modeli i porównywanie ich wyników.
Proces symulacji transportu przez detektor cząstek wyprodukowanych w procesie zderzenia
napotyka następujące przeszkody:
a) istniejące generatory zderzeń dają różne wyniki dla parametrów takich jak krotność czy
zmienne kinematyczne cząstek
b) symulacja rzadko występujących zjawisk wymaga dużych zasobów komputerowych do
symulacji dużej liczby zderzeń
c) istniejące generatory nie zapewniają opisu zjawisk takich jak korelacje pędu i flow
Aby przeprowadzić efektywne symulacje, użyto środowiska,które pozwala na korzystanie z
opcji:
a) symulacja wykorzystuje zewnętrzne generatory, takie jak HIJING i DPMJET
b) rzadko występujące zjawiska mogą być symulowane przez generatory takie jak PYTHIA
c) środowisko dostarcza narzędzi do składania zderzeń z z różnych generatorów sygnału
(tzw. event coctails)
2) Rekonstrukcja
Danymi wejściowymi dla rekonstrukcji zderzeń mogą być sygnały zgromadzone w formacie
drzewa ROOT lub danych typu raw - wyników pochodzących bezpośrednio z detektora.
Rekonstrukcja przebiega w trzech kolejnych etapach. Najpierw przeprowadzana jest
rekonstrukcja punktów oddziaływania cząstek z detektorem oddzielnie dla każdego z podsystemów.
Następnie przeprowadzana jest rekonstrukcja wierzchołków i torów lotu, po czym następuje
identyfikacja cząstek. Dane wyjściowe z rekonstrukcji są nazywane Event Summary Data. Poniższe
rysunki prezentują dane wyjściowe z detektorów (dane typu raw), oraz wyniki rekonstrukcji (ESD).
70
Rys. 6.5 Dane typu RAW
Wizualizacja rzeczywistego zderzenia protonów przy energii 2,36 TeV na parę protonów („run” 104068) przed
rekonstrukcją. Rysunek wykonany w środowisku AliRoot
71
Rys. 6.6 Dane zrekonstruowane
Wizualizacja rzeczywistego zderzenia protonów przy energii 2,36 TeV na parę protonów („run” 104068) po dokonaniu
rekonstrukcji. Rysunek wykonany w środowisku AliRoot
Rozwój metod rekonstrukcji kierowany powodowany był następującymi wymaganiami i
praktykami:
a) głównym celem rekonstrukcji jest przygotowanie danych potrzebnych do analiz
fizycznych
b) rekonstrukcja powinna być przeprowadzona efektywnie, bez szumu i z wysoką
rozdzielczością
c) użytkownik powinien mieć możliwość łatwego dostępu do danych zawartych w ESD
d) kod rekonstrukcji powinien być efektywny, łatwy w obsłudze i modyfikacji
e) rekonstrukcja powinna być możliwie najbardziej elastyczna i powinna działać nawet
wtedy, gdy jeden lub więcej detektorów nie działa; by to uzyskać, każdy moduł detektora
powinien być w stanie:
- znajdować tory na podstawie danych zapewnianych przez poprzedni detektor (tzw.
external seeding)
- znajdować tory nie korzystając z danych z innych detektorów (tzw. internal
seeding)
72
- rekonstruować tory na podstawie już opisanych punktów wstecz i naprzód
f) gdzie to możliwe, wspólne (bazowe) klasy powinny być używane w różnych modułach
rekonstrukcji
g) zależności między poszczególnymi modułami rekonstrukcji powinny być jak
najmniejsze; jeśli to możliwe, informacja między detektorami powinna być wymieniana
przez wspólne klasy torów
h) łańcuch programów rekonstruujących powinien być wywoływany i sterowany w prosty
sposób
i) nie powinny istnieć żadne założenia co do nazw i struktury danych lub numeracji i
kolejności zderzeń
j) każda klasa element danych i metoda powinna mieć poprawną, precyzyjną i pomocną
dokumentację w postaci stron HTML
Rys. 6.7 Dokumentacja środowiska ROOT i AliRoot
73
Rys. 6.8 Opcje rekonstrukcji w środowisku AliRoot
Możliwe opcje rekonstrukcji danych. Wyniki z każdego detektora mogą być wyświetlane i rekonstruowane niezależnie.
3) Analizy
Analiza danych pochodzących z eksperymentu jest ostatnim etapem obróbki zderzeń, i
zwykle powtarzana jest wielokrotnie. Analiza jest bardzo rozległą działalnością, gdzie cele każdej
analizy mogą się znacznie różnić. Detektor ALICE jest zoptymalizowany z myślą o rekonstrukcji i
analizie zderzeń ciężkich jonów. Dodatkowo, ALICE ma szeroki program fizyczny poświęcony
oddziaływaniom protonów i jonów. Analiza danych podzielona jest między pięć grup roboczych,
zwanych PWGs (Physics Working Group):
a) PWG0 first physics - ta grupa dokonuje pierwszych analiz danych
b) PWG1 detector performance - sprawdza działanie poszczególnych elementów detektora
zarówno podczas zberania danych, jak i rekonstrukcji
c) PWG2 event characteristics - analizuje główne charakterystyki zderzeń, takich jak
krotność cząstek, centralność, gęstość energii, skład chemiczny, dynamika reakcji
d) PWG3 heavy flavors - produkcja kwarkoniów, wolnych kwarków c i b
e) PWG4 hard probes - analiza tzw. jetów i bezpośrednich fotonów
74
z których każda ma swój moduł w środowisku AliRoot (moduły te mają nazwy PWG0-PWG4).
Rys. 6.9 Analiza danych z detektora ALICE dla grupy PWG3
Ważnym elementem analizy jest wizualizacja wyników zderzeń. Służy temu moduł EVE
(Event Visualization Environment - Środowisko Wizualizacji Zderzeń), składający się z małego
jądra aplikacji, klas graficznych z edytorami oraz rendererami opartymi na technologii OpenGL,
skryptów CINT do wybierania danych i rejestrowania ich w aplikacji. EVE podzielony jest na dwie
części, zwane REVE (część należąca do ROOT, niezależna od środowiska AliRoot), oraz AliEVE
(część dedykowana eksperymentowi ALICE). Oprócz modułów graficznych, EVE zawiera również
makra opisujące geometrię poszczególnych podsystemów ALICE oraz całego detektora.
75
Rys. 6.10 AliEve
Widoczny detektor ITS i detektory położenia wierzchołka VZERO.
Rys. 6.11 AliEve
Widoczna szczegółowa geometria detektora ITS.
76
Rys. 6.12 AliEve
Widoczna uproszczona geometria detektora ITS i zrekonstruowany wynik zderzenia
4) Dostęp do danych
Dane z eksperymentu ALICE są dostępne dla wszystkich członków kolaboracji poprzez
środowisko ALICE nazwane AliEn (ALICE Environment). Każdy użytkownik dysponujący
odpowiednimi uprawnieniami wyrażonymi w certyfikacie x509 ma możliwość dostępu do powłoki
nazwanej gShell, która umożliwia kopiowanie danych w postaci drzew ROOT na lokalne
komputery lub zdalne wykonywanie analiz. Prócz tego część danych zgromadzona jest w tzw.
Datasets, zawierających zwykle do miliona zderzeń.
Informacje o wszystkich zebranych i dostępnych danych są publikowane na stronie
http://pcalimonitor.cern.ch/job_details.jsp, gdzie możliwe jest sprawdzenie aktualnego statusu
każdej produkcji, ilości zebranych zderzeń i miejsca ich przechowywania.
77
Rys. 6.13 Repozytorium MonALISA
Pokazuje status, dostępność i charakterystyki danych z symulacji oraz zderzeń w detektorze ALICE
Całe środowisko do analizowania danych z detektora, składające się z modułów ROOT,
AliEn i AliRoot daje możliwość przeprowadzania sprawnej analizy danych przez całą grupę
ALICE, zawiera również niezbędne modele oddziaływań cząstek, generatory zderzeń, oraz bardzo
dokładne modele detektora.
78
Rozdział 7.
Przygotowanie dokumentacji i wizualizacji eksperymentu
ALICE
Zadaniem autora pracy było przygotowanie dokumentacji technicznej detektora ALICE w
postaci plików CAD (Computer Aided Design). Pliki te miały być następnie wysłane do zakładu
wykorzystującego technologię rapid prototyping. Technologia ta polega na przygotowaniu modeli
części z plastiku metodą stereolitografii. Po dostarczeniu przez producenta planów części w postaci
plików w formacie STL części są "drukowane" przy pomocy urządzenia będącego w uproszczeniu
drukarką, w której tusz został zastąpiony kroplami plastiku, które zastygając w odpowiednim
miejscu tworzą żądany kształt.
Dokumentacja techniczna detektora ALICE miała zostać przygotowana na podstawie
danych zawartych w środowisku AliRoot. Następnie, za pomocą metody rapid prototyping, na
podstawie tej dokumentacji miały powstać dwa modele detektora, w skali 1:20 i 1:30. Jeden z
modeli miał zostać pokazany podczas VIP Days w CERN, a drugi podczas imprez z cyklu Jak To
Działa: LHC.
Przygotowanie dokumentacji detektora ALICE zostało podzielone na kilka etapów.
7.1 AliRoot
Pierwszym etapem było zapisanie geometrii detektora będącej elementem środowiska
AliRoot. W przypadku środowiska AliRoot w wersji v4-14-Release z 12 lipca 2008 roku, przy
pomocy którego wykonywana była praca, odzyskiwanie geometrii odbywa się poprzez komendy:
gAlice->Init(); //inicjalizuje środowisko detektora ALICE
gGeoManager->Export("geometry.root"); //wywołuje geometrię i zapisuje ją w postaci pliku ROOT
79
Gdy geometria detektora została zaimportowana, można ją wyświetlić używając komend:
TGeoManager::Import("geometry.root"); //importuje plik z geometrią
new TBrowser; //włącza przeglądarkę zawartości pliku
Rys. 7.1 Plik geometry.root
80
81
82
W nowszych wersjach środowiska AliRoot geometria detektora może zostać odzyskana
tylko przy pomocy komendy:
gGeoManager->Export("geometry.root");
wywołanej w środowisku AliEve (ALICE Event Visualisation), bądź może zostać skopiowana z
pliku $ALICE/$ALICE_VER/EVE/alice-data/geo-default.root. Struktura pliku uzyskanego w ten
sposób jest taka sama jak w przypadku starszych wersji środowiska AliRoot, jest również podobnie
obsługiwana przez obiekt klasy TBrowser. Po zaimportowaniu i wywołaniu obiektu TBrowser
użytkownik może wyświetlić zarówno cały detektor (wybierając opcję "Draw" dla "Master
Module”), bądź wyświetlać oddzielnie jego poszczególne podsystemy. Możliwe jest również
modyfikowanie wyświetlanej geometrii poprzez zmianę koloru, dodanie przekrojów i usunięcie
niektórych elementów.
Zaimportowana i zmodyfikowana w ten sposób geometria detektora zapisana jest w
formacie pliku ROOT. Niestety, urządzenia typu rapid prototyping nie obsługują tego formatu.
Konieczna jest zatem konwersja pliku ROOT do pliku typu CAD, na przykład formatu STL. Co
więcej, geometria detektora powinna być również zapisana w postaci pliku odczytywanego przez
edytory grafiki 3D, takie jak 3D Studio Max bądź Blender. Dzięki temu możliwa jest modyfikacja
modelu poprzez dodanie odpowiednich wcięć i uproszczenie, oraz przygotowanie animowanych
wizualizacji działania detektora.
7.2 OpenGL Extractors
Pierwszym etapem obróbki danych było przygotowanie ich do odczytania przez edytory
grafiki 3D. Ponieważ środowisko ROOT nie ma możliwości przygotowania takich plików,
użytkownik musi zrobić je samodzielnie. Jednym ze sposobów jest ręczne wymodelowanie modelu
w edytorze zgodnie z danymi ze środowiska AliRoot. Niestety, detektor ALICE wyświetlany z
pominięciem większości szczegółów (takich jak wewnętrzne elementy ITS) wciąż składa się z
ponad 3 milionów wierzchołków, co praktycznie uniemożliwia "ręczne" przygotowanie
dokumentacji w krótkim czasie.
Możliwe jest jednak znaczne skrócenie czasu odzyskiwania danych dzięki opcji środowiska
ROOT do wyświetlania grafiki przy pomocy biblioteki graficznej OpenGL (Open Graphics
Library). Ta sama technologia jest używana przez wiele gier, np. World Of Warcraft, oraz aplikacji,
83
na przykład Google Earth.
Miłośnicy wymienionych aplikacji mają możliwość zamówienia plastikowych modeli
postaci z gier, co widać na poniższych ilustracjach.
Rys. 7.6 Plastikowa figurka na bazie modelu z gry World of Warcraft.
Rysunek pobrany ze strony http://ogle.eyebeamresearch.org/
Rys. 7.7 Plastikowa figurka na bazie modelu z gry Second Life
Rys. 7.8 Plastikowa makieta na bazie modelu z programu Google Earth
Możliwe jest zatem przygotowanie plastikowej figury na podstawie jej modelu z gry, co
więcej, figura jest tworzona z użyciem metody rapid prototyping, co oznacza, że model z gry został
84
zaimportowany do formatu CAD. Ponieważ środowisko ROOT i AliRoot umożliwia wyświetlanie
grafiki 3D z użyciem tej samej technologii, powinno być możliwe powtórzenie całego procesu dla
geometrii detektora ALICE.
Do odzyskania danych do przygotowania figury postaci z gry, bądź modelu detektora,
wykorzystuje się programy zwane ekstraktorami OpenGL. Dostępne są dwa tego typu systemy,
jeden nazwany OGLE (OpenGL Extractor), oraz drugi nazwany 3D PrintScreen firmy 3DVIA.
Obydwa programy należą do wolnego oprogramowania. Ich działanie opiera się na tej samej
zasadzie i wykorzystuje komunikację między programem (grą bądź wyświetlaniem geometrii) oraz
biblioteką OpenGL. Jest to komunikacja typu klient-serwer, gdzie "klientem" jest aplikacja, która
wysyła dane obiektów, które mają być wyświetlone (w postaci prostych brył), natomiast "serwer",
czyli biblioteka OpenGL, przyjmuje te dane i dalej wyświetla je na ekranie komputera. Wymienione
programy przechwytują tę komunikację uzyskując w ten sposób żądany model przedstawiony przy
pomocy prostych brył. Efektem działania programu jest plik, który można łatwo zaimportować do
edytora grafiki 3D. W przypadku OGLE jest to plik typu Wavefront OBJ, natomiast w przypadku
3D PrintScreen jest to plik typu 3DXML. Plik typu 3DXML jest w rzeczywistości plikiem typu ZIP,
czyli spakowanym folderem zawierającym dwa pliki - tekstowy i XML.
Niestety, obydwa opisane programy są przygotowane jedynie do pracy w systemie
operacyjnym Windows, natomiast środowisko AliRoot zostało przygotowane z myślą o systemie
operacyjnym Linux. Środowisko ROOT może natomiast zostać zainstalowane w obydwu
systemach. Oznacza to, że przed użyciem któregoś z ekstraktorów należy tak przygotować plik
odzyskany ze środowiska AliRoot, by mógł być on wyświetlany w ROOT, czyli z pominięciem
specyficznych bibliotek dla detektora ALICE. W przypadku środowiska AliRoot w wersji v4-14Release należało najpierw zapisać geometrię w postaci makra .C i zmodyfikować je tak, by móc je
uruchomić korzystając jedynie z ROOT. W nowszych wersjach AliRoot problem braku
kompatybilności nie występuje i zarówno zapisywanie geometrii w postaci makra, jak i wszelkie
modyfikacje kodu nie są konieczne. Po przygotowaniu pliku i wyświetleniu go w systemie
Windows, można uruchomić jeden z programów przejmujących dane z OpenGL. Autor tej pracy
korzystał z 3D PrintScreen. W ten sposób otrzymuje się plik typu 3DVIA, który można
zaimportować do edytora 3D.
85
Rys. 7.9 OGLE
Strona główna projektu OGLE
Rys. 7.10 3d PrintScreen
Strona główna programu 3d Printscreen firmy 3D VIA.
86
7.3 3D Studio Max 9
Pierwszym z wykorzystanych edytorów by 3D Studio Max firmy Autodesk. Jest to
rozbudowany program do tworzenia i edycji grafiki trójwymiarowej, oraz przygotowywania
animacji. Pierwsza edycja programu została wydana przez firmę Kinetix, która została wykupiona
przez firmę Dicreet, wcieloną później do Autodesk. Program ukazał się w 1990 roku, natomiast
model detektora ALICE był tworzony z pomocą wersji 2009.
Program
dysponuje
wieloma
narzędziami
ułatwiającymi
przygotowywanie
zaawansowanych modeli i animacji, między innymi dzięki zastosowaniu systemu Character Studio,
wykorzystywanemu do animacji postaci w grach komputerowych czy systemowi symulacji fizyki
Reactor. Co istotne w przypadku przygotowywania modelu detektora, program 3DS Max dysponuje
zaawansowanymi możliwościami wycinania kształtów. Program został przygotowany do pracy w
środowisku Windows. Choć stosowany był do produkcji animacji, na przykład Katedry Tomasza
Bagińskiego, oraz niektórych fragmentów Władcy Pierścieni Petera Jacksona, najczęściej
stosowany jest on przy tworzeniu wizualizacji architektonicznych. Z tego powodu został wybrany
jako narzędzie do przygotowania modelu ALICE. Co więcej, 3D Studio Max posiada system łatwej
instalacji dodatkowych pluginów, co rozszerza jego możliwości.
Dzięki możliwości instalowania pluginów, nieobsługiwany w standardowej wersji 3D
Studio Max 9 format 3DXML może zostać zaimportowany po zainstalowaniu odpowiedniej
modyfikacji. Odpowiedni plugin został przygotowany przez internautę o pseudonimie Koichi
Senada. Pliki instalacyjne i instrukcja obsługi pluginu dostępne są na stronie:
http://www.4shared.com/dir/5807782/1c394251/KoichiSenada.html
87
Rys. 7.11 Plugin do 3D Studio Max przygotowany przez Koichi Senada
Zaimportowanie geometrii do 3D Studio Max umożliwia jej pełną modyfikację oraz
konwertowanie do innych formatów, takich jak OBJ. Przy wykonywaniu tej pracy, program 3D
Studio Max został wykorzystany jedynie do zaimportowania plików w formacie 3DXML oraz
zapisania ich w postaci pliku Wavefront .OBJ, by mogły być odczytane przez program Blender, w
którym geometria detektora została zmodyfikowana na potrzeby budowy modelu i wizualizacji
działania detektora.
88
Rys. 7.12 3D Studio Max
7.4 Blender
Podobnie jak 3D Studio Max, Blender jest programem do tworzenia i edycji grafiki
trójwymiarowej, oraz przygotowywania animacji. Choć ma podobne zastosowania i możliwości co
konkurencyjny program, należy do wolnego oprogramowania.
Blender został stworzony przez firmę NaN (Not a Number) i jest przygotowany do pracy w
różnych środowiskach, nie tylko Windows i Linux, ale i Solaris, IRIX, Zeta OS, Morph OS, Amiga
OS i Windows Mobile. Początkowo Blender był programem komercyjnym, jednak 13 października
2002 roku nastąpiło jego „uwolnienie”, gdy Blender Foundation odkupiło prawa od niego za sumę
100 000 euro, zgromadzonych w ramach publicznej zbiórki w ciągu siedmiu tygodni. Program
Blender, pomimo niestandardowego systemu obsługi, wykorzystującego wiele klawiszy
funkcyjnych, jest łatwy w obsłudze i po krótkim treningu przyjazny użytkownikowi.
Ze względu na łatwą obsługę i duże możliwości, program Blender został wykorzystany do
modyfikacji modelu przez dodanie odpowiednich cięć i uproszczeń, oraz do przygotowania
wizualizacji działania detektora. Pozwoliły na to następujące funkcje programu:
a) w zakresie modelowania
•
Zastosowanie siatek obiektów
89
•
Narzędzie pozwalające na rzeźbienie siatki
•
Edycja siatek oparta na wierzchołkach, krawędziach i wielokątach
b) w zakresie animacji
•
System ograniczników animacji (zastosowanie klatek kluczowych)
•
Możliwość animacji poszczególnych wierzchołków
•
System krzywych animacji
•
Obsługa tzw. "driven-keys", gdzie zmiana wartości jednego parametru (powoduje
automatyczną zmianę wartości innego)
•
Rozbudowany system cząstek (do tworzenia animacji zderzeń)
Poniższy rysunek pokazuje w jakiej formie geometria detektora została zaimportowana do
programu Blender. W tej formie model składa się z około 3,5 miliona wierzchołków i nie ma
żadnego wycięcia, zatem niewidoczne są podsystemy w centralnej części. Co więcej, program 3D
PrintScreen pogrupował wyświetlane elementy według kolorów, co oznacza, że w obecnej formie
model składa się z około 6 dużych części. Należy go zatem podzielić na mniejsze elementy,
odpowiadające podsystemom detektora, i umieścić w różnych warstwach, co pozwoli na jego
łatwiejsze odczytanie w zakładzie zajmującym się budową modelu.
Rys. 7.13 Blender
Geometria detektora ALICE odzyskana ze środowiska AliRoot, przed modyfikacjami
90
Pierwszym etapem modyfikacji modelu było przygotowanie 120-stopniowego wycięcia
centralnej części detektora (tzw. central barrel). Wycięcie przeprowadzono poprzez usunięcie
wszystkich wierzchołków detektora w danym obszarze. Dzięki temu, widoczne są wszystkie
wewnętrzne podsystemy detektora, czyli ITS, TPC, TRD, TOF, HMPID i PHOS.
Po dodaniu wcięcia konieczne było dodanie płaszczyzn zamykających profile niektórych
części detektora, w szczególności magnesu solenoidalnego. Następnym etapem było dodanie do
modelu brakujących elementów. Do 2008 roku w środowisku AliRoot nie opisano podsystemu
nazwanego PMD (Photon Multiplicity Detector – Detektor Krotnosci Fotonów). Konieczne było
zatem przygotowanie go w programie Blender i dodanie do istniejącego modelu ALICE. Model
PMD powstał w oparciu o dane zawarte w TDR (Technical Design Report).
Aby model mógł być odczytany i wykonany w warsztacie zajmującym się rapid prototyping,
należało uprościć jego konstrukcję. A środowisku AliRoot zostały opisane nawet najmniejsze
elementy detektora, o rozmiarze rzędu 1mm, których wykonanie w skali 1:30 byłoby niemożliwe.
Co więcej, program urządzenia typu nie odczytałby zbyt złożonego modelu. W pierwszej kolejności
usunięte zostały wewnętrzne części detektorów, które miały być niewidoczne dla oglądających.
Następnie uproszczona została struktura ITS. W końcowej wersji składał się on jedynie z trzech
cylindrycznych warstw, wszystkie niewielkie elementy (np. pojedyncze paski) zostały usunięte.
Segmenty TOF i TRD zostały wymodelowane od nowa tak, by miały kształt łatwych do wykonania
prostopadłościanów.
Detektor
promieniowania
kosmicznego
ACORDE
został
również
wymodelowany od nowa przy pomocy samych prostopadłościanów. Uproszczeniu uległy również
kształty wszystkich elementów detektora mionowego, oprócz magnesu dipolowego. Ilustracje
poniżej przedstawiają kolejne etapy upraszczania modelu.
91
Rys. 7.14 Blender
Rys. 7.15 Blender
92
Rys. 7.16 Blender
Rys. 7.17 Blender
93
Rys. 7.18 Blender
Na koniec, zgodnie z zaleceniami zakładu przygotowującego rzeczywisty makietę, model
został podzielony na warstwy.
Program Blender umożliwił nie tylko modyfikację modelu detektora, uproszczenie go,
podzielenie na warstwy i dodanie wcięć, ale i pozwolił na przygotowanie animacji
przedstawiających budowę detektora i zasadę działania jego głównych podsystemów. Na bazie
najbardziej szczegółowego modelu przygotowana została animacje przedstawiająca wszystkie
podsystemy detektora wraz z krótkimi opisami w języku angielskim. Poniżej zostały umieszczone
pojedyncze klatki animacji, która znajduje się na płycie CD. Animacja ta jest obecnie prezentowana
w części pokazowej hali detektora ALICE, w Point 2 w Saint Genis we Francji.
94
Rys. 7.19 Animacja detektora ALICE
Pojedyncze klatki animacji przedstawiającej budowę detektora ALICE
Dodatkowo, na bazie uproszczonej wersji modelu powstała animacja przedstawiająca
działanie detektora TPC, głównego systemu śledzącego detektora ALICE. Animacja ta zawiera
również opisy w języku angielskim i została przygotowana przy udziale Petera Glaessela
należącego do grupy zajmującej się detektorem TPC w eksperymencie ALICE. Poniżej zostały
umieszczone pojedyncze klatki animacji, która również znajduje się na płycie CD. Animacja ta jest
także wyświetlana w Point 2.
95
Rys. 7.20 Wizualizacja działania detektora TPC
Pojedyncze klatki animacji przedstawiającej działanie detektora TPC
Uproszczony model posłużył również jako podstawa animacji przedstawiającej zderzenie
cząstek oraz skalę całego detektora. Poniżej zostały umieszczone pojedyncze klatki animacji,
zapisanej również na płycie CD.
96
Rys. 7.21 Animacja detektora ALICE
Pojedyncze klatki animacji przedstawiającej skalę detektora ALICE
Ostatnią animacją, przygotowaną bez wykorzystania modelu, była animacja przedstawiająca
ogólny schemat działania detektora dryftowego wraz z zachowaniem cząstek o różnym ładunku i
pędzie. Poniżej zostały umieszczone pojedyncze klatki animacji, zapisanej również na płycie CD.
97
Rys. 7.22 Wizualizacja działania gazowej komory projekcji czasowej
Pojedyncze klatki animacji przedstawiającej działanie gazowej komory projekcji czasowej (takiej jak TPC w ALICE)
Program Blender umożliwia również zapisywanie grafiki 3D w różnych formatach (przy
pomocy opcji „export”). Po przygotowaniu całego modelu i zatwierdzeniu go przez
przewodniczących grup Outereach i Technical w eksperymencie ALICE, został on zapisany w
formacie Wavefront OBJ.
7.5 STL_Util
Makieta detektora ALICE miała być przygotowana za pomocą metody stereolitografii,
stosowanej do produkcji elementów prototypowych dla przemysłu (technika rapid prototyping).
Konieczne
było
więc
przygotowanie
modeli
w
odpowiednim
formacie,
czyli
STL
(stereolitography). Do przekonwertowania modelu detektora przygotowanego w Blenderze został
użyty program STL_Util autorstwa Benoit Michela. Jest to prosta aplikacja stworzona do
konwertowania obiektów 3D w trzech formatach: OBJ (WaveFront), DXF (format plików typu
98
CAD, firmy AutoDesk), oraz STL (do metody stereolitografii). Co więcej umożliwia ona nadawanie
skali obracanie i podgląd przekrojów konwertowanych obiektów. Podczas wczytywania plików,
STL_Util zastępuje wszystkie wielokąty trójkątami, ograniczając w ten sposób niepotrzebne dane, i
na nowo oblicza wektory normalne do każdej powierzchni.
Poniższa ilustracja przedstawia główny panel programu STL_Util.
Rys. 7.23 Główny panel programu STL_Util
Program STL_Util został wykorzystany do konwersji plików typu OBJ z programu Blender,
do formatu STL. Dzięki temu maszyna wykonująca makietę mogła wczytać cały model detektora
naraz. Makieta była tworzona bezpośrednio z pliku STL.
Rys. 7.24 STL_Util
Otwieranie i wyświetlanie geometrii detektora ALICE
99
Rys. 7.25 STL_Util
Zapisywanie geometrii detektora ALICE w formacie STL
7.6 Wykonanie modelu – NB Composites
Model detektora, z pomocą programu STL_Util, został przekazany firmie modelarskiej, NB
Composites, która wykonała metodą rapid prototyping i z pomocą frezarki numerycznej dwie
makiety, jedną w skali 1:20 i jedną w skali 1:30. Większa makieta jest obecnie wystawiana w Point
2, natomiast mniejsza jest stałym elementem wystawy Jak To Działa? Wielki Zderzacz Hadronów,
która została przygotowana przez pracowników i studentów Wydziału Fizyki Politechniki
Warszawskiej. Poniżej umieszczono zdjęcia wykonanej makiety detektora.
100
Rys. 7.26 Makieta detektora ALICE
Gotowa makieta detektora ALICE w skali 1:20 przed wyjazdem do CERN
101
Gotowa makieta detektora ALICE w skali 1:20 przed wyjazdem do CERN
Gotowa makieta detektora ALICE w skali 1:20 w Point 2 w Saint Genis
102
Gotowa makieta detektora ALICE w skali 1:30 pokazywana na festiwalu Jak To Działa? LHC w Warszawie. Zdjęcie
pobrano ze strony: http://www.if.pw.edu.pl/~nauka/lhc-elementy/
Gotowa makieta detektora ALICE w skali 1:30 pokazywana na festiwalu Jak To Działa? LHC w Tarnowie. Zdjęcie
pobrano ze strony: http://www.iii-lo.tarnow.pl/lhc/
103
Rozdział 8.
Wystawa o LHC i udział autora w jej realizacji
W ramach XII Festiwalu Nauki Jak to działa na Wydziale Fizyki Polietchniki Warszawskiej
przygotowano i zaprezentowano wystawę o zderzaczu LHC zlokalizowanych przy nim detektorach.
W przygotowaniach brała udział, oprócz pracowników i studentów PW, grupa polskich instytucji
współpracujących z ośrodkiem CERN. Były to: Instytut Problemów Jądrowych im. A. Sołtana,
Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Instytut Fizyki Jądrowej PAN, Instytut Chemii i
Techniki Jądrowej, Politechnika Wrocławska i Wrocławski Park Technologiczny.
W czasie trwania wystawy uzupełniali ją lokalni realizatorzy (Politechnika Gliwicka, Uniwersytet
Lubelski, Politechnika Gdańska).
Jednym z elementów wystawy były makiety wszystkich dużych detektorów wokół LHC:
ALICE, ATLAS, CMS i LHCb w skali 1:30. Niestety, organizatorzy dysponowali jedynie makietą
detektora CMS, pozostałe trzy musiały zostać przygotowane specjalnie na wystawę. Przygotowanie
dokumentacji dla zakładu budującego makietę było jednym z powodów zaangażowania autora
pracy w projekt ALICE. Podobny model potrzebny był grupie zajmującej się eksperymentem
ALICE w CERN na tak zwane VIP Days,organizowane dla polityków i dziennikarzy państw
członkowskich CERN.
Ponadto została przygotowana dokumentacja techniczna detektorów ATLAS i LHCb. Do jej
utworzenia zastosowano te same metody, co do modelu ALICE, opisane w podrozdziałach 7.4 –
7.6. W przypadku ATLAS i LHCb nie trzeba było odzyskiwać danych z środowiska ROOT, autor
dostał je w postaci plików wavefront .OBJ. W przypadku detektora LHCb należało uprościć model i
przygotować odpowiednie wycięcia, natomiast w przypadku detektora ATLAS konieczne było
jeszcze wymodelowanie elementów systemu magnesów, gdyż otrzymany model okazał się
niekompletny. Po uproszczeniu i dodaniu wcięć, modele zostały przekonwertowane na format STL
przy pomocy programu STL_Util i przekazane zakładowi NB Composites, gdzie zostały wykonane
makiety. Poniższe zdjęcia prezentują modele detektorów i makiety pokazywane na wystawie Jak To
104
Działa? LHC.
Rys. 8.1 Model detektora LHCb
Model detektora LHCb otrzymany od grupy zajmującej się tym eksperymentem w CERN. Widoczne są kratownice i
obudowy, przez co geometria jest bardzo skomplikowana i nie nadaje się do przygotowania w postaci makiety
Rys. 8.2 Model detektora LHCb
105
Uproszczona geometria detektora gotowa do wysłania do zakładu budującego makietę
Rys. 8.3 Makieta detektora LHCb
Gotowa makieta detektora LHCb w skali 1:30 pokazywana na festiwalu Jak To Działa? LHC w Warszawie. Zdjęcie
pobrano ze strony: http://www.if.pw.edu.pl/~nauka/lhc-elementy/
Rys. 8.4 Model detektora ATLAS
106
Model detektora ATLAS otrzymany od grupy zajmującej się tym eksperymentem w CERN. Model nie ma wcięcia
pokazującego wewnętrzne elementy, oraz brakuje dwóch zewnętrznych płyt będących spektrometrami mionów
Rys. 8.5 Model detektora ATLAS
Model detektora ATLAS z dodanymi zewnętrznymi płytami spektrometrów i 120-stopniowym wycięciem centralnej
części, gotowa do wysłania do zakładu budującego makietę
107
Rys. 8.6 Makieta detektora ATLAS
Gotowa makieta detektora ATLAS w skali 1:30 pokazywana na festiwalu Jak To Działa? LHC w Toruniu. Zdjęcie
pobrano ze strony: http://www.fizyka.umk.pl/~scspie/LHC/index.php?page=wystawa
Oprócz modeli detektorów potrzebnych do przygotowania makiet, na wystawie Jak To
Działa? LHC były wyświetlane animacje opisane w 7.4. Dodatkowo, na bazie modelu detektora
LHCb została przygotowana kolejna animacja. Rysunek poniżej przedstawia pojedyncze klaki
animacji.
108
Rys. 8.7 Animacja detektora LHCb
Pojedyncze klatki animacji przedstawiającej budowę detektora LHCb
109
Rozdział 9.
Historyczny moment uruchomienia LHC i ALICE
Problem wizualizacji budowy i działania detektora ALICE pojawił się ponownie w
listopadzie 2009 roku w czasie uruchamiania historycznego momentu uruchomienia LHC i udanego
doprowadzenia do pierwszych zderzeń.
W tym czasie konieczne okazało się takie zmodyfikowanie środowiska AliRoot, by możliwe
było łatwe przygotowywanie dużej ilości materiałów prasowych przedstawiających napływające
wyniki. W tym celu dodano do systemu wyświetlania zderzeń AliEve (ALICE Event Display)
rozwiązania typu GUI (Graphics User Interface – Graficzny Interfejs Użytkownika), które ułatwiły
korzystanie z tej części oprogramowania. Zawarto w nich możliwość łatwej zmiany geometrii
detektora, jej składowych elementów, kolorów i przezroczystości, oraz sposobu wyświetlania
wyników zderzeń po rekonstrukcji. Ułatwiono również korzystanie z makr odpowiedzialnych za
wyświetlanie wyników z poszczególnych detektorów, oraz tworzenie obrazów (także w wysokiej
rozdzielczości). W wyniku tych zmian grupa ALICE w CERN była w stanie w krótkim czasie
publikować swoje wyniki, na przykład za pomocą strony internetowej projektu:
http://aliceinfo.cern.ch/Public/en/Chapter1/news.html
Przygotowano również materiały informacyjne, w tym plakaty, zawiadamiające o tym
niezwykle ważnym wydarzeniu w historii CERN.
Poniższe rysunki zawierają materiały informacyjne przygotowane z pomocą nowych funkcji
systemu AliEve i opublikowane przez grupę ALICE.
110
Rys. 9.1 Materiały prasowe prezentujące pierwsze wyniki ALICE
Materiały dostępne na stronie: http://aliceinfo.cern.ch/Public/en/Chapter1/news.html
Materiały dostępne na stronie: http://aliceinfo.cern.ch/Public/en/Chapter1/news.html
111
Materiały dostępne na stronie: http://aliceinfo.cern.ch/static/Pictures/pictures_High_Resolution/Pictures.html
Nowe możliwości AliEve znalazły również zastosowanie przy przygotowaniu pierwszej
publikacji opisującej wyniki otrzymane przez detektor ALICE. Artykuł zatytułowany First proton-proton collisions at the LHC as observed with the ALICE detector: measurement of the charged
particle pseudorapidity density at sqrt(s) = 900 GeV autorstwa kolaboracji ALICE został
zatwierdzony przez European Physical Journal C, Particles and Fields po tygodniu od pierwszych
zarejestrowanych zderzeń. Jednym z elementów artykułu była ilostracja pierwszego zderzenia
zarejestrowanego przez detektor ALICE. Artykuł jest dostepny na:
http://www.slac.stanford.edu/spires/find/hep/www?eprint=arXiv:0911.5430
112
Rys. 9.4 Pierwsza publikacja wyników ALICE
113
Rozdział 10.
Podsumowanie i plany na przyszłość
W ramach wykonywania pracy inżynierskiej przygotowano dokumentację techniczną
detektora ALICE wraz z wizualizacją jego budowy i działania głównych podsystemów. W tej pracy
omówiona jest historia powstania, znaczenie dla nauki oraz program badawczy kompleksu LHC w
CERN, do którego należy również detektor ALICE. Opisane jest również, z wykorzystaniem
Technical Design Reports, działanie poszczególnych podsystemów detektora i metody pomiarowe.
Zaprezentowane zostało także środowisko programistyczne ALICE zapewniające symulację i
analizę danych, a także rodzaje i sposoby składowania danych z detektora. W siódmym rozdziale
został szczegółowo opisany proces powstawania makiety detektora, od pierwszych kroków w
środowisku ROOT i AliRoot, aż do wysłania gotowych modeli do zakładu zajmującego się budową
makiet. Model ten został przygotowany we współpracy z osobami odpowiedzialnymi za
przygotowanie makiety na VIP days oraz został zatwierdzony przez radę techniczną detektora.
Opisane są również animacje przedstawiające budowę detektora ALICE i sposób działania jego
głównego systemu śledzącego – TPC. W rozdziale ósmym przedstawione zostały inne sposoby
wykorzystania opisanej wcześniej metody przygotowywania modeli, a w rozdziale dziewiątym
sposób wyświetlania geometrii detektora wraz z rzeczywistymi wynikami zderzeń w środowisku
AliRoot i systemie AliEve.
Opracowana metoda odzyskiwania danych opisujących geometrię detektora, ich
modyfikację i konwersję do formatów typu CAD dała wynik w postaci modelu detektora ALICE
posłużył jako baza do zbudowania dwóch makiet w skali 1:20 i 1:30, oraz animowanych
wizualizacji jego budowy i działania .
Te same metody posłużyły do przygotowania makiet detektorów ATLAS i LHCb, które były
prezentowane podczas wystawy Jak To Działa? LHC wielu miastach Polski.
Makieta i animacje detektora ALICE są obecnie wystawiane w Saint Genis we Francji w
hali detektora ALICE, na stałej ekspozycji w części dla zwiedzających.
114
Prace
nad
wizualizacją
działania
detektora
były
kontynuowane
przy
okazji
przygotowywania środowiska AliRoot do wyświetlania pierwszych wyników zderzeń podczas
trzytygodniowego kontraktu w CERN pod koniec 2009 roku. Kolejnym etapem będzie
przygotowanie animacji detektora z dodanymi rzeczywistymi wynikami, oraz napisanie w ramach
projektu ALICE Masterclass środowiska graficznego do analizy danych z ALICE dostępnego dla
uczniów liceum. Projekt ten rozpocznie podczas miesięcznego wyjazdu do CERN w marcu 2010
roku.
115
Spis rysunków
1.1 Diagram fazowy materii
2.1 Kompleks akceleratorów w CERN
2.2 Tunel LHC
2.3 Magnes dipolowy
2.4 Magnes dipolowy
2.5 Kompleks BEVALAC
2.6 Kompleks AGS i RHIC w BNL w USA
3.1 Detektor ALICE w trakcie konstrukcji
3.2 Detektor ALICE
3.3 Detektor ATLAS w fazie konstrukcji
3.4 Detektor ATLAS
3.5 Detektor CMS w fazie konstrukcji
3.6 Detektor CMS
3.7 Detektor LHCb
3.8 Detektor LHCb
3.9 Detektor TOTEM
3.10 Detektor TOTEM
3.11 Detektor LHCf
3.12 Detektor LHCf
5.1 Detektor ALICE
5.2 Detektor ALICE
5.3 Uproszczona geometria detektora ALICE i zarejestrowane ślady cząstek
5.4 Wyniki pomiaru przy pomocy detektora ITS
5.5 ITS SPDs
5.6 ITS SPDs
5.7 ITS SDDs
5.8 ITS SSDs
5.9 ITS SSD
5.10 TPC
5.11 Umiejscowienie detektora TPC wewnątrz ALICE.
5.12 TPC i zarejestrowane ślady cząstek
5.13 TOF
5.14 Instalacja TOF
5.15 HMPID
5.16 HMPID
5.17 PHOS
5.18 Kryształ PbWO4
5.19 Magnes L3
5.20 Magnes L3
5.21 Detektory mionowe – Magnes Dipolowy
5.22Detektory mionowe- komory śledzące i komory wyzwalania
116
6.1 Okno ROOT
6.2 Otwarta sesja ROOT
6.3 ROOT Talk
6.4 ROOT
6.5 Dane typu RAW
6.6 Dane zrekonstruowane
6.7 Dokumentacja środowiska ROOT i AliRoot
6.8 Opcje rekonstrukcji w środowisku AliRoot
6.9 Analiza danych z detektora ALICE
6.10 AliEve
6.11 AliEve
6.12 AliEve
6.13 Repozytorium MonALISA
7.1 Plik geometry.root
7.6 Plastikowa figurka na bazie modelu z gry World of Warcraft.
7.7 Plastikowa figurka na bazie modelu z gry Second Life
7.8 Plastikowa makieta na bazie modelu z programu Google Earth
7.9 OGLE
7.10 3d PrintScreen
7.11 Plugin do 3D Studio Max przygotowany przez Koichi Senada
7.12 3D StudioMax
7.13 Blender
7.14 Blender
7.15 Blender
7.16 Blender
7.17 Blender
7.18 Blender
7.19 Animacja detektora ALICE
7.20 Wizualizacja działania detektora TPC
7.21 Animacja detektora ALICE
7.22 Wizualizacja działania gazowej komory projekcji czasowej
7.23 Główny panel programu STL_Util
7.24 STL_Util
7.25 STL_Util
7.26 Makieta detektora ALICE
8.1 Model detektora LHCb
8.2 Model detektora LHCb
8.3 Makieta detektora LHCb
8.4 Model detektora ATLAS
8.5 Model detektora ATLAS
8.6 Makieta detektora ATLAS
8.7 Animacja detektora LHCb
117
9.1 Materiały prasowe prezentujące pierwsze wyniki ALICE
9.4 Pierwsza publikacja wyników ALICE
Źródła ilustracji:
http://aliceinfo.cern.ch/Public/en/Chapter1/news.html
http://aliceinfo.cern.ch/static/Pictures/pictures_High_Resolution/Pictures.html
http://lhc-machine-outreach.web.cern.ch/lhc-machine-outreach/lhc_in_pictures.htm
http://www.atlas.ch/etours_exper/index.html
http://www.atlas.ch/photos/atlas_photos/
http://cms.web.cern.ch/cms/Media/Images/PhotoBook/index.html
http://cms.web.cern.ch/cms/Detector/Designed/index.html
http://www.uslhc.us/Images/LHCf_Images
http://ogle.eyebeamresearch.org/
http://www.bnl.gov/rhic/images.asp
http://www.iii-lo.tarnow.pl/lhc/
http://www.fizyka.umk.pl/~scspie/LHC/index.php?page=wystawa
LBL News Magazine, Vol. 1, No. 1, Summer 1976, p. 5
Wszystkie ilustracje bez podanego źródła zostały przygotowane przez autora pracy.
118
Bibliografia
[1] J. Schukraft,
The ALICE heavy ion experiment at the CERN LHC, 21 Sep 1995
[2] ALICE Collaboration,
Technical Proposal for A Large Ion Collider Experiment at the CERN LHC, 15 Dec 1995
The Electromagnetic Calorimeter Addendum to the Technical Proposal, 15 Apr 2006
Technical Design Report of the High Momentum Particle Identification Detector, 14 Aug 1998
Technical Design Report of the Photon Spectrometer (PHOS), 5 Mar 1999
Technical Design Report of the Transition Radiation Detector, 3 Oct 2001
Technical Design Report of the Dimuon Forward Spectrometer, 13 Aug 1999
Technical Design Report of the Time Projection Chamber, 7 Jan 2000
Technical Design Report of the Time of Flight System (TOF), 16 Feb 2000
[10] LHCf Collaboration,
Technical Proposal for the CERN LHCf Experiment, 12 Oct 2005
[11] LHCf Collaboration,
The LHCf detector at the CERN Large Hadron Collider, 14 Aug 2008
[12] F. Carminati, ALICE Computing Model, BNL Seminar, 21 Mar 2005
[13] ALICE Collaboration
First proton-proton collisions at the LHC as observed with the ALICE detector: measurement
of the charged particle pseudorapidity density at ps = 900 GeV
[14] Donald H. Perkins, Wstęp do Fizyki Wysokich Energii, PWN, Warszawa 2005
119
[15] Materiały informacyjne przygotowane na wystawę Jak to działa? LHC przez pracowników
i studentów Wydziału Fizyki PW należących do grupy HIRG
[16] http://root.cern.ch/drupal/
[17] http://aliceinfo.cern.ch/Collaboration/index.html
[18] http://aliceinfo.cern.ch/Public/Welcome.html
[19] http://lhc.web.cern.ch/lhc/
[20] http://l3.web.cern.ch/l3/
[21] http://totem.web.cern.ch/Totem/
[22] http://www.bo.infn.it/alice/tof-over/index.html
[23] http://www.stelab.nagoya-u.ac.jp/LHCf/LHCf/index.html
[24] http://www.if.pw.edu.pl/~pluta/pl/dyd/mtj/wyklad/index.html
[25] http://www.if.pw.edu.pl/~pluta/ALICEdet/index.html
[26] http://lhc.edu.pl/
[27] http://en.wikipedia.org/
120

Streszczenie Eksperyment ALICE

Transkrypt

Podobne dokumenty

Badanie struktury Wszechświata - Indico