Experiment ATLAS – výzva pro nové technologie

Miroslav Havránek, 15. září 2006

Člověk se již od dob starověkého Řecka zajímal, z čeho se skládají věci, které jej obklopují, avšak až do 20. století jsme neměli technické prostředky pro testování mnoha teorií. Nyní jsme na tom o mnoho lépe. Částice hmoty se zkoumají pomocí detektorů, ve kterých se srážejí částice. Abychom dosáhli relativistických rychlostí a vysokých energií, je třeba částice urychlit v urychlovači pomocí elektrického pole a udržet svazek částic o průměru několika cm pohromadě pomocí magnetického pole. Z výše uvedeného je patrné, že tímto způsobem lze urychlovat pouze elektricky nabité částice. V současné době existuje několik laboratoří, z nichž největší se jmenuje CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 20 členských zemí včetně České republiky. V současné době je zde budován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který má být dostaven v roce 2007. K největším objevům patří objev částic slabé interakce, příprava antivodíku a objev kvark-gluonového plazmatu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. a leží na švýcarsko-francouzské hranici nedaleko Ženevy. Zde se nyní staví největší urychlovač světa LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na energie 14 TeV. Buduje se v komplexu laboratoří CERN v tunelu po urychlovači LEP II. Předpokládané uvedení do provozu je v roce 2007., který bude v úvodu své činnosti urychlovat protony na rychlosti velmi blízké rychlosti světla a energie 14 TeVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV) nebo teraelektronvolt TeV (10¹² eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=kT). (vstřícné svazky 7+7 TeV) a později i těžší jádra. Ke srážkám částic v detektorech bude docházet každých 25 ns. Termín prvního spuštění je plánován na konec roku 2007. Na urychlovači LHC budou v činnosti detektory: ATLASATLAS – A Toroidal LHC ApparatuS, detektor pro urychlovač LHC s hmotností 7 000 tun umístěný 100 metrů pod zemí. Jde o multifunkční detektor, který by měl být schopen detekovat mimo jiné Higgsovy bosony. Délka zařízení je 44 metrů, magnetické pole cívky vychylující nabité částice 2 T., CMSCMS – Compact Muon Solenoid. V laboratořích CERN budovaný víceúčelový detektor pro urychlovač LHC, vážící 12 500 tun, který by měl být schopen detekovat Higgsovy částice, pokud je jejich hmotnost v rozmezí 100 GeV až 1000 GeV, jak předpokládá stávající teorie elektroslabé interakce. Dosavadní hledání na urychlovači LEP s detekcí do 100 GeV nepřineslo kýžený výsledek. , ALICEALICE – A Large Ion Collider Experiment. Experiment, jehož součástí je vybudování specializovaného detektoru těžkých iontů pro odhalení unikátních fyzikálních vlastností interakcí jádro-jádro při energiích, které dokáže iontům dodat urychlovač Large Hadron Collider. , LHCbLHCb – Large Hadron Collider beauty, multifunkční detektor pro LHC, na kterém bude sledováno narušení CP symetrie a zkoumány hadrony obsahující kvark b. a TOTEMTOTEM – Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation. Detektor pro LHC sdílející stanoviště s detektorem CMS..

Detektor ATLAS

Celý detektor se skládá z několika subdetektorů (má „slupkovitou strukturu“) pro získání informací o určitých typech částic. Jeho globální struktura je na obrázku níže. ATLAS není žádné malé zařízení. Jeho výška je 22 metrů, délka 44 metrů a hmotnost 7 000 tun. ATLAS je umístěn více než 100 metrů pod zemí. Název detektoru je zkratkou z anglického A Toroidal LHC ApparatuS.

Schematický obrázek detektoru ATLAS. Zdroj: ATLAS group in Marseille.

Vnitřní detektor stop (Inner Tracker)

Ze všech částí detektoru ATLAS se vnitřní detektor stop nachází nejblíže zóně, kde se srážejí protony. Jeho úkolem je velmi přesně určit polohu každé nabité částice. Vnitřní detektor stop je umístěn v magnetickém poli supravodivé válcové cívky o indukci 2 T. Cívka je chlazena tekutým heliem. Magnetické pole vychýlí nabité částice ze směru pohybu primárních protonů směrem k detektorům. Pomocí magnetického pole můžeme změřit hybnost částice. Vnitřní detektor stop je rozdělen na další tři subdetektory.

Vnitřní detektor stop (Inner Tracker). Zdroj: CERN.

Vnitřní vrstva je tvořena pixelovým křemíkovým detektorem. Je zde je umístěno 1 744 modulů a na každém z nich je 46 080 pixelů, tzn. celkem přes 80 milionů kanálů, což zaručuje relativně přesné určení polohy částice. Další vrstvu tvoří mikropáskový křemíkový detektor SCT (SiliCon Tracker). SCT je složen z 16 362 velkoplošných mikropáskových detektorů, na každém z nich je 768 nezávislých senzorů. Přesnost určení polohy částice křemíkovými detektory je 14 μm. Taková vysoká přesnost polohy umožňuje rozlišit i rozpady částic s velmi krátkou dobou života. Poslední částí je detektor přechodového zářeníPřechodové záření – záření, které vzniká průletem nabité částice prostředím se skokovými změnami indexu lomu. Jeho intenzita je úměrná hmotnosti a relativistickému koeficientu gama. TRT (Transition Radiation Tracker). Obklopuje pixelový detektor a mikropáskový detektor SCT. Je určen pro měření polohy a hybnosti částic s delší dobou života a také pro identifikaci elektronů. Detektor TRT obsahuje asi půl milionu trubiček plněných plynem (70% Xe + 20% CF₄ + 10% CO₂). Trubičky jsou připojeny na napětí 1,78 kV. Prostor mezi trubičkami je vyplněn speciálním materiálem, ve kterém vznikne při průniku nabité částice přechodové zářeníPřechodové záření – záření, které vzniká průletem nabité částice prostředím se skokovými změnami indexu lomu. Jeho intenzita je úměrná hmotnosti a relativistickému koeficientu gama. v rentgenovém oboru. Xenon v detekčních trubicích detekuje jak částice, které proletí přímo xenonem, tak i fotony v rentgenových vlnových délkách. Pomocí fotonové spršky je možné určit, která částice ji způsobila. Tak je možné oddělit elektronyElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil lord Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl P. Dirac v roce 1928 a objevil C. Anderson v roce 1932. například od pionůPion – mezon s nulovým spinem složený z kvarků u a d., protože elektron emituje přechodové zářeníPřechodové záření – záření, které vzniká průletem nabité částice prostředím se skokovými změnami indexu lomu. Jeho intenzita je úměrná hmotnosti a relativistickému koeficientu gama. při řádově nižších energiích než pion. Elektrický signál je pak zesílen a dále zpracován.

Elektromagnetický kalorimetr

Elektromagnetický kalorimetr je určen pro měření energie a polohy převážně elektronů a fotonů. Kalorimetr obsahuje olovo pro vytvoření elektron-fotonové spršky a tekutý argon v harmonikové struktuře, což zaručuje dobré prostorové pokrytí.

Elektromagnetický kalorimetr – dobře patrná je jeho harmoniková struktura.
Zdroj: ATLAS group in Marseille

Celý kalorimetr má 200 000 kanálů. V několika vrstvách kalorimetru dochází k zastavení elektronů a absorpci fotonů. Jednotlivé vrstvy se liší počtem radiačních délekRadiační délka – vzdálenost l₀, na které částice ztratí 1/e ze své původní energie, která klesá podle vztahu E = E₀ exp[−x / l₀]. pro elektrony. První vrstva odděluje fotony a piony, ve druhé vrstvě, která má tloušťku 16 až 18 radiačních délek pro elektrony, se absorbuje většina energie z elektron-fotonové složky. Poslední vrstva absorbuje elektrony, kterým se podařilo proniknout druhou vrstvou a propustí pouze hadronovou složku částic dále k hadronovému kalorimetru. Na koncích kalorimetru jsou oblasti END-CAPS které zvyšují prostorové pokrytí kalorimetru a jsou schopny detekovat částice, které se po srážce odchýlí od osy svazku protonů o malý úhel. Úctyhodné je také časové rozlišení kalorimetru. Z každého kanálu kalorimetru je možno rozlišit události v čase kratším než 200 ps.

Hadronový kalorimetr

Částice, kterým se podaří proletět vnitřním detektorem stop a elektromagnetickým kalorimetrem jsou detekovány v hadronovém kalorimetru. Mohou to být rychlé protony, které v elektromagnetickém kalorimetru ztratily jen malou část své energie ale také i kvarky. Pomocí hadronového kalorimetru můžeme měřit energie a trajektorie částic, zkoumat jejich vlastnosti, studovat hadronizaci hmoty, která ve vesmíru proběhla v čase 10⁻⁵ s po velkém třesku. Podobně jako elektromagnetický kalorimetr, obsahuje i hadronový kalorimetr několik detekčních sekcí pro získání kvalitního prostorového modelu trajektorií částic.

Hadronový kalorimetr. Zdroj: CERN.

Hlavní oblast kalorimetru má válcový tvar a obklopuje kolizní zónu. Několik vrstev železa je prokládáno scintilačními detektory. Průletem těžké nabité částice kovem vznikne mnoho dalších částic (převážně elektrony a fotony), které průletem scintilačního detektoru ionizují jeho atomy. Ve scintilátoru se to projeví jako krátký záblesk. Tento „záblesk“ je odváděn světlovodným vláknem a snímán fotonásobičem, který jej převede na elektrický signál. Elektrický signál je pak dále zpracován. Na koncích hadronového kalorimetru jsou umístěny tzv. END CAPS kalorimetry, které mají horší rozlišení, ale jsou schopny detekovat všechny druhy běžně detekovatelných částic. Pracují na podobném principu jako elektromagnetický kalorimetr, obsahují plynové detektory s tekutým argonem, prokládáné vrstvami kovu. Hadronový kalorimetr má přibližně 10 000 kanálů.

Mionové komory

MionyMion – těžký elektron, hmotnost má 207 m_e. Střední doba života je přibližně 2×10⁻⁶ s. Těžký elektron se rozpadá na stabilní elektron, elektronové antineutrino a mionové neutrino. Mion se vyskytuje v sekundárních sprškách z kosmického záření. Mion byl objeven C. Andersonem v kosmickém záření za pomoci mlžné komory v roce 1936. jsou tzv. MIPMIP – Minimum Ionizing Particle, částice, která na jednotku vzdálenosti ztrácí při průchodu prostředím málo energie, ale ještě ionizuje prostředí a scintilační detektor dává signál. Za MIP se velmi často volí miony. MIP se používá jako jednotka intenzity signálu pro scintilační detektory. částice. Relativně málo interagují s okolím. Miony tvoří významnou část sekundárních částic z kosmického záření a můžeme je detekovat i na zemském povrchu. V detektoru ATLAS se mionové komory nacházejí nejdále od kolizní zóny. Na obrázku níže můžeme vidět rozdíly v chování různých druhů částic v detektorech. Elektrony (pozitrony) a hadrony se pohltí v kalorimetrech, ale mion proletí skrz celý detektor ATLAS. Proto jsou mionové komory umístěny nejdále od kolizní zóny.

Trajektorie různých druhů částic v různých částích experimentu ATLAS.
Mion proletí bez výrazné interakce s prostředím všemi detektory v experimentu ATLAS.

V mionových komorách se měří hybnost a polarita náboje mionu (antimionu). Pro měření hybnosti je potřeba velmi silné magnetické pole. V detektoru ATLAS jsou kromě válcové cívky v detektoru stop umístěny další supravodivé velkooběmové cívky tvořící toroidiální magnetické pole, které vychyluje miony. Proud tekoucí cívkami je 20 000 A, magnetická indukce dosahuje hodnot 4 T a energie toroidiálního magnetického pole větší než 1,2 GJ. Mionové komory obsahují trubičky o průměru 3 cm plněné plynem (Ar + CO₂), v ose každé z nich je tenký drát, na který je přivedeno vysoké napětí. Jakmile mion proletí trubičkou, ionizuje plyn a vysoké napětí urychlí volné elektrony a ionty. Získáme tak elektrický impuls, který je dále zpracován.

Aktuální fotografie detektoru ATLAS z webkamery ke dni 17. 8. 2006. Zdroj: ATLAS webcams

Závěr

Na detektoru ATLAS by se měly zkoumat teoreticky předpovězené Higgsovy bosony. Možná také získáme důkazy o existenci supersymetrických částic. Další otázka, která nedává fyzikům spát, je podstata temné hmoty ve vesmíru. Tyto, a ještě další otázky, by nám mohl ATLAS částečně odpovědět. Může se také stát, že nic z výše uvedeného nebude objeveno a lidstvo bude mít více otázek než před uskutečněním experimentu. Vše ukáže rok 2008, kdy by měl být urychlovač LHC v plném provozu. Detektor ATLAS je velká výzva pro moderní technologie. V běžném provozu bude ATLAS produkovat ohromné množství dat, které současná technika neumí v dostatečně krátkém čase zpracovat. Proto se bude provádět redukce dat a ke zpracování se dostanou jen fyzikálně zajímavé události. Dalším požadavkem pro provoz ATLASU je odolnost elektronických součástek proti silným dávkám záření. To platí zejména pro vnitřní detektor stop, kde bude tok částic větší než 100 000 mm⁻²s⁻¹. Vývoj křemíkových detektorů je důležitý nejen pro ATLAS, ale i pro oblast například strojnictví (defektoskopie) a hlavně medicínu. ATLAS není jen detektor částic, ale je to zařízení, kde se uplatňují a testují moderní technologie, které je možno využít i pro účely v běžném životě.

Bonus: Klip „Detektor ATLAS“

ATLAS. Jde o jeden z pěti experimentů umístěných na urychlovači Large Hadron Collider v CERNu. Název je zkratkou z anglického A Toroidal LHC ApparatuS. Zařízení ATLAS má hmotnost 7 000 tun, je umístěné 100 metrů pod zemí. Délka této unikátní soustavy detektorů je 44 metrů. Nabité částice jsou vychylovány v  solenoidálním magnetickém poli o indukci 2 T a toroidálním magnetickém poli o indukci 4 T. V klipu je patrný průchod jednotlivých typů částic různými detektory experimentu ATLAS. Neutrální částice (fotony, neutrony a neutrina) nezanechávají žádné stopy, viditelné jsou až případné nabité produkty rozpadu při záchytu detektorem.

Odkazy