Předminulý týden jsem čtenáře Osla mohl informovat o opětném spuštění urychlovače LHC a prvních srážkách protonů, které byly v místech jednotlivých detektorů. V té době se prvních srážek dočkal i experiment ALICE. Toto srážení pouze dvou shluků protonů, které proběhlo 23. listopadu, trvalo pouhých čtyřicet minut. Shluky obsahovaly řádově pouze miliardu protonů. Přesto se však detektorům experimentu ALICE podařilo zaznamenat 284 případů srážky protonových dvojic.
Srážející se protony měly v tomto případě energii 450 GeV, kterou si přinesly z předurychlovače SPS. Protony letí proti sobě, každý se stejnou kinetickou energií, a proto dostupná energie srážky je 900 GeV. Velmi dlouhá a pečlivá příprava, která umožnila vyladění a kalibraci detektorů ALICE a otestování programů pro sběr a analýzu dat, se vyplatila. Už při tomto neplánovaném srážení svazků v místě ALICE bylo možné získat první fyzikální data a ověřit naše představy o počtu produkovaných nabitých částic při takto vysokých energiích. Analýza byla provedena z identifikace a rekonstrukce srážky pomocí tří soustav vnitřních dráhových detektorů a soustavy scintilačních detektorů umístěných okolo místa srážky.
Polovodičové dráhové detektory
V případě vnitřních dráhových snímačů se jedná o polovodičové křemíkové detektory. Hlavní jejich částí je velmi tenká křemíková destička tloušťky v řádu stovek mikrometrů a rozměrů zhruba desítek centimetrů. V ní jsou umístěny elektrody, které vytváří přesný tvar elektrického pole. Při průletu křemíkovým dráhovým detektorem nabitá částice ionizuje a uvolňuje v polovodiči elektrony. Elektrické pole svádí elektrony k elektrodám a elektrický signál, který se tak na nich vytvoří, nás informuje, kterým místem křemíkové destičky nabitá částice proletěla. Jestliže z těchto detektorů, postavených zhruba kolmo k předpokládanému letu částic, vytvoříme řadu vrstev, můžeme získat informaci o dráze částic v prostoru s přesností na stovky až desítky mikrometrů.
Alice využívá tři typy křemíkových dráhových detektorů:
Křemíkové pixelové detektory mají elektrody ve tvaru „buněk“ – pixelů. Informace o místě průletu nabité částice je dána polohou elektrody, na které vznikne signál. Mají největší hustotu elektrod a nejlepší prostorové rozlišení. Jsou však výrobně i finančně nejnáročnější.
Křemíkové stripové detektory mají elektrody ve tvaru proužků.
Dvojrozměrné rozlišení se dosahuje tak, že na horní straně křemíkové destičky jsou proužky vedeny v jednom směru a na spodní pak ve směru kolmém. Pozice je tak dána překřížením elektrod, ve kterých vznikne signál.
Křemíkové driftové detektory mají elektrody ve tvaru linky. Jedna souřadnice je tak dána polohou elektrody a druhá pak časem trvání driftu elektronů.
U ALICE je místo srážky obklopeno třemi vrstvami každého ze zmíněných typů detektorů. Nejblíže středu jsou pixelové detektory, uprostřed stripové a nejdále driftové. Dohromady tak máme devět vrstev, které vytváří systém vnitřních dráhových detektorů. Díky němu se dráhy nabitých částic v nejbližším okolí místa srážky daří určovat s velmi dobrým rozlišením. A právě tento systém byl využit k analýze počtu nabitých částic produkovaných v prvních srážkách na urychlovači LHC. Podrobnější popis i dalších detektorů využívaných experimenty na urychlovači LHC jsem už na Oslovi uveřejnil.
Právě na vývoji křemíkových driftových detektorů se, spolu s italskými kolegy, významnou měrou podíleli i čeští fyzici z Ústavu jaderné fyziky AVČR a Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT. Účastnili jsme se instalace, testů detektorů a nyní zajišťujeme i jejich provozování během experimentů. Tyto detektory jsou napájeny nízkovoltovými zdroji vyrobenými malou českou firmou AREM pro. Jejich vývoj nebyl vůbec jednoduchý, neboť zdroje nemohou být blízko místa srážky, kde je příliš velká radiace. Napájení však musí reagovat rychle, být stabilní a nesmí ovlivňovat práci velice citlivých detektorů. I když jsou zdroje napětí relativně daleko, musí mít dost vysoký stupeň radiační odolnosti. A právě tu jsme v našem ústavu, s využitím našeho cyklotronu, testovali.
Co se zjišťovalo?
První zajímavou informaci, kterou lze při studiu srážek protonů při vysokých energiích získat, je střední počet produkovaných nabitých částic. Ty se lehce detekují a identifikují. Tato fyzikální veličina je důležitá a studuje se jako první na každém novém urychlovači, který se dostane k vyšším energiím než jeho předchůdci. V současné době máme díky údajům z urychlovače Tevatron slušnou představu jak se mění střední počet produkovaných nabitých částic až po energii srážky téměř 2000 GeV. Pomocí různých modelů je pak možné ji extrapolovat pro energii, kterou doufáme dosáhnout na LHC. Ovšem je to pouze extrapolace a tak každá dodatečná informace pro energie srážek, které se blíží nebo přesahují hodnotu 1000 GeV, je velmi důležitá. To si uvědomovali i fyzikové na ALICI. Proto se velmi intenzivně připravovali na rychlou analýzu prvních experimentálních dat, aby tuto informaci co nejrychleji získali. Pomocí kosmického záření co nejpřesněji kalibrovali detektory, tisíce hodin věnovali přípravě analyzačních programů a simulacím průběhu sběru a rychlé analýzy dat.
Nyní už je jasné, že se toto obrovské úsilí vyplatilo. Díky němu tým ALICE mohl pružně zareagovat na možnost, kterou jim test LHC nabízel - na čtyřicet minut srážení protonů v místech tohoto experimentu. Teď už "jen" stačilo, aby několik lidí probdělo "pár" nocí a dní a první fyzikální publikace urychlovače LHC je odeslána do časopisu European Journal of Physics C - Particles and Fields . Zatím je zveřejněna na internetovém preprintovém serveru pro články věnované fyzice vysokých energií pod označením arXiv:0911.5430 .
Co může tak malý počet srážek říci, aby to stálo za publikaci v tak prestižním fyzikálním časopise? Urychlovač Tevatron až do současnosti byl jediným urychlovačem, který umožňoval srážky protonů s dostupnou energií vyšší než 500 GeV. Jedná se tak o první nezávislé potvrzení jeho výsledků v této oblasti. Navíc v případě Tevatronu se sráží proton s antiprotonem. Urychlovač LHC tedy poprvé studuje srážky protonu s protonem při tak vysokých energiích. I když se neočekává, že by se počet produkovaných nabitých částic pro tyto dva typy srážek nějak významně lišil, je důležité tento předpoklad experimentálně ověřit. Data z experimentu ALICE potvrdila, že počty produkovaných částic odpovídají předpokladům. Grafy na obrázku lépe než slova dokazují, že výsledky z LHC a z Tevatronu navzájem souhlasí. Zároveň to podporuje správnost extrapolace do vyšších energií, takže hustoty počtu částic by měly být v oblasti, na kterou jsou detektory všech experimentů LHC stavěny.
ALICE je tedy připravena pro experimentování, systém vnitřních dráhových detektorů je plně pod kontrolou a fyzikové, kteří se o něj starají jsou schopni rychle analyzovat jeho data. Je to také určitě velké povzbuzení pro obrovský počet lidí, kteří se na budování a provozu experimentu ALICE podílejí. Být byť jen malou součástí tohoto velkého týmu je hodně motivující. Všichni se moc těšíme na zajímavé informace o světě velmi vysokých hustot energie, které nám všechny experimenty na urychlovači LHC poskytnou.
Urychlovač LHC už urychluje
Ještě důležitější úspěch se dosáhl v neděli 29. listopadu. Poprvé se protony, které do LHC přicházejí z předurychlovače SPS s energií 450 GeV, urychlovaly ještě dál na energi vyšší. Těsně po půlnoci dalšího dne se pak podařilo protony v obou směrech urychlit až na energii 1180 GeV, což je více, než byl stávající rekord urychlovače Tevatron, v kterém protony a antiprotony dosáhly energie 980 GeV. Urychlovač LHC tak o chlup překonal urychlovač Tevatron a stal se novým světovým rekordmanem. Jedná se o velmi důležitý krok na cestě k jeho stabilnímu fyzikálnímu provozu. Je perfektní, že se jej podařilo dosáhnout tak rychle po znovuspuštění urychlovače LHC. Nyní se bude ladit urychlování a srážení protonů při této energii, která při srážce představuje 2360 GeV. Zítra (ve středu 2. 12.) se očekávají první srážky v místech experimentů. Dá se předpokládat, že jednotlivé týmy využijí provozu v těchto podmínkách nejen ke kalibraci detektorů a ladění všech systémů, ale i pro získání fyzikálně relevantních dat. Prvními krůčky se totiž dostáváme do dosud neprobádaných oblastí.
Tento příspěvek bych rád věnoval památce Pavla Reháka, jednoho z významných českých jaderných fyziků. Jako expert na křemíkové dráhové detektory, který byl duší jejich využívání v laboratoři v Brookhavenu, byl i jedním z iniciátorů toho, že se česká skupina experimentu ALICE začala podílet na jejich využití v tomto experimentu.
Diskuze:
Jak je to s elektronikou
Vladimír Wagner,2009-12-02 02:41:42
Pokusím se odpovědět na otázky o elektronice, které napsali Stanislav Brabec a Jiří Vesecký. Nejsem elektronik, takže se omlouvám, že to nebude dostatečně detailní. Pan Stanislav Brabec to odhadl dobře. V uváděném případě se jedná o zdroj se dvěma čtveřicemi kanálů dodávajících napětí mezi 2,5 a 7,5 V a proudy do jednoho ampéru. Vzdálenost zdrojů od napájených detektorů je desítky metrů, takže se nedaleko nich musí ještě umístit regulátory s kapacitou. S jejich využitím se musí zajistit stabilita napětí lepší než 5 mV (RMS) i při velmi rychlých změnách odběru. Problémem je, že každý typ detektorů má specifické požadavky a jedná se o máloseriovou zakázku. Velké firmy o to nemají moc zájem a nastaví často hodně vysokou cenu. Moduly jsou konstruovány pokud možno ze standardních součástek. Pokud by se dělaly ze specifických radiačně odolných, tak by byly o několik řádů dražší. Musí se však dát pozor a nepoužít některé typy součástek. A některé součástky a celý modul otestovat v radiačním poli. Pro elektroniku, která není přímo okolo místa srážek, je nejdůležitější odolnost proti neutronům. Těch se postupně reakcemi částic vyletujících z místa srážky s materiálem okolo vytvoří velké množství. elektronika je tak vystavena poli neutronů různých energií. Olovo by tak nepomohlo, to stíní dobře gama záření ale ne neutrony. Pole neutronů vzniká i při intenzivním ozařování terče na našem cyklotronu (třeba při výrobě radiofarmak) a dá se pro radiační testy elektroniky využít. Elektronika přímo u detektorů je zasažena i nabitými částicemi (třeba protony) a proto se testuje i přímo na svazcích urychlovačů. Křemíkové detektory jsou vyráběny z extrémně kvalitního křemíku a je často i velký odpad při jejich výrobě. K jejich degradaci radiací dochází. Musí být taková, aby během předpokládané doby funkce detektorů (ozáření za tu dobu) jejich parametry neklesly pod požadovanou úroveň. Také se to testuje ozařením předpokládanou celkovou dávkou. Pokud jde o zjištění, že součástka nevzdrží a musí se vybrat jiná, tak v případě elektroniky u detektorů je to běžné. V případě zdrojů spíše ne, tam je radiace nižší a citlivé součástkz se dají odhadnout a nepoužijí se.
RE:Jak vlastně vypadá taková elektronika pro LHC?
JiříVesecký EgonEgon,2009-12-02 01:00:42
Pro vysoké stupně radiace se používají součástky s nízkým stupněm integrace aby poškození interakcí částice na křemíkovém monokrystalu polovodiče nebyl významný. Jinak rychlé protony jsou pro IO asi nejzhoubnější a těch bude v LHC nadbytek. Náchylné na poškození budou i podle mého názoru MOSFET vzhledem k malé tlouště SiO na Gate takže klasické výkonné PNP a NPN v invertorech. Taky by mně zajímalo jestli se po testech na cyklotronu musely na zdrojích dělat úpravy. Pokud ano tak bych to typoval na obéznější obal z Pb :-).
elektronika
Stanislav Brabec,2009-12-01 23:04:41
Jak vlastně vypadá taková elektronika pro LHC?
Jaké jsou např. požadavky na takový nízkovoltový zdroj (napětí, proud, přesnost, stabilita, rychlost reakce...). Nakolik se vymyká běžným požadavkům? Na fotografii vidím něco, co se podobá výkonnému spínanému zdroji odhadem do max. 10V, s procesorem.
Jaká úroveň radiace tam je, třeba v porovnání s kosmickými sondami? Museli jste používat rad-hard součástky nebo speciální stínění? Nebo se jen vyhnout DRAM, flash, optočlenům?
Jsou samotné detektory vyrobené z komerčních křemíkových plátů pro polovodiče? Předpokládám, že v prostředí vysoké radiace dochází k degradaci materiálu snímačů. Je nutné to nějak kompenzovat?
ČT
Daniel Konečný,2009-12-01 16:47:50
pak proc se ozyvaji vykriky k cemu nam to bude
jinak doufam ze uz budou mit kluci z LHC vic stesti, drzim palce:)
Události na ČT
Vít Výmola,2009-12-01 15:09:15
Je sice dobré, že o podobných událostech informuje i ČT v hlavní zpravodajské relaci, nicméně podívejte se jak :), (viz. archiv na ČT24, čas 25:36 http://www.ct24.cz/vysilani/2009/11/30/209411000101130-19:00-udalosti/)
Hezká příležitost vysvětlit
Petr Hasman,2009-12-01 11:52:56
relativistické vztahy. Pan Wagner prostě sečetl 1180 + 1180 = 2360 GeV tak, jak by to udělal každý newtonský šťoural do relativity. Vždyť přeci letí proti sobě, tak je to jasné! Kde jsou ale relativistické změny hmotnosti s rychlostí? Srážka jednoho protonu s druhým je výsledkem vzájemné rychlosti. Tak by se asi měla měřit a relativisticky vyhodnotit rychlost a tedy hmotnost protonu A z hlediska protonu B, nebo ne?
relativita
Vít Výmola,2009-12-01 15:03:03
Jedná se přece o sčítání energií, nikoliv rychlostí. Zákon zachování energie platí i při relativistickýh jevech.
Pan Hasman
Adam Buchal,2009-12-20 17:39:58
Dobrý den... právě jsem ve 4. ročníku gymnázia a už začínáme pomalu prohlubovat své znalosti až do teorie relativity. Neříkám, že tomu rozumím nejlíp, zda-li vůbec :-)... napadla mě stejná otázka ohledně rychlostí proti sobě letících svazků v LHC a říkal jsem si, že je přece jedno, jestli proti sobě letí každý rychlostí "c/2" a nebo jeden narazí skoro rychlostí světla do stojícího svazku - vzájemná rychlost přece nemůže být větší než "c" ... jenže pak jsme se dostali až ke skládání rychlostí v relativistické fyzice a taky ke sjednocenému zákonu zachování energie a hmoty... ty asi platí všude a pořád. Jen by mě zajímala další otázka ohledně tohoto vašeho tvrzení. Dalo by se říct, že svazek iontů "vidí" ten druhý svazek, letící proti němu, "těžší"? Nějak mi nejde do hlavy, že letí dva svazky proti sobě rychlostí skoro "c" a srazí se rychlostí zase jen skoro "c", tak si říkám, že někde se ta energie musí projevit - když ne v rychlosti ,tak v hmotnosti ... Takže zpět k dotazu - dalo by se říct, že jeden svazek "vidí" ten druhý, letící proti němu, "těžší"? Děkuji za odpovědi a omlouvám se za případnou zmatenost příspěvku nebo nesprávné zařazení...právě jsem se zaregistroval a zatím si zdejší systém komentářů neosvojil.
Příjemné zjištění
Tomáš Bartoň,2009-12-01 09:05:30
je že žijeme přímo v době která bude díky řádově vyšším srážkovým energiím částic znamenat na další desetiletí velký milník v rozvoji částicové fyziky. Ano, chleba kvůli tomu nezlevní, ale nejen všedními starostmi živ je člověk. Když se dosažitelné energie srážek převedou do "lidských" představ: při plánovaném výkonu bude mít kolidující svazek energii 350 MJ - jak moc to je vidno z toho že třeba střela ze samopalu AK 47 má energii necelé 2 kJ!!
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
