Detektory pro LHC: ATLAS and CMS Howard Gordon, Brookhaven National Laboratory, Jiří Dolejší, Charles University Prague Fyzici prošli dlouhou cestu od urychlovačů poslepovaných pečetním voskem jako byl první cyklotron, který vynalezl a postavil za asi 25$ Ernest Lawrence v roce 1930, k obrovským urychlovačům v ceně okolo 1 G$ skrytých v podzemních tunelech jako je budovaný LHC v CERN ... Replika of Lawrenceova cyklotronu v CERNském Microcosmu

CERN Large Hadron Collider, plánované spuštění 2007

Spolupráce generací CERNských urychlovačů

Proč vlastně fyzikové staví taková obrovská a drahá zařízení? ... Protože je před námi stále mnoho nezodpovězených otázek, jako například: Kde je očekávaný Higgsův boson? Existují předpovězené supersymetrické částice? Existují ony extra dimenze předpovídané některými teoretiky? Co dává částicím jejich hmotu? Docela jednoduchá otázka také může znít: Je příroda zcela popsána současným standardním modelem? Není potřeba nic dalšího? Těžko můžeme odpovědět, že ano! Nové urychlovače a experimenty jsou tak obrovské a drahé, aby umožnily průzkum nových oblastí energie a studium extrémně vzácných procesů ― jestliže se nám dodnes nezdařilo něco zpozorovat, měli bychom si vytvořit šanci to uvidět zítra. LHC se postará o urychlení částic, ale jejich interakce potřebujeme studovat ― potřebujeme vhodné detektory. Pojďme se na ně podívat.

Tady je jeden z nich: A Toroidal LHC ApparatuS ATLAS 22 m 44 m

A tady druhý: Compact Muon Spectrometer CMS 15 m 22 m

Proč jsou detektory pro LHC tak veliké??? Musí se vypořádat se všemi částicemi vylétajícími ze srážky urychlených protonů. Protony ve skutečnosti nejsou jen dva jako na animaci, ale je jich spousta, uspořádaných do shluků: 2808 shluků v každém svazku, 1,15×1011 protonů v každém shluku, odstup shluků 25 ns což odpovídá vzdálenosti 7.5 m (místo některých shluků jsou jen mezery)

Na místo srážky „dohlíží“ detektor. Některé částice právě prchly z oblasti srážky, další srážka bezprostředně hrozí. Detektor by měl: zachytit co nejvíce částic být přesný být rychlý (a laciný a ...) Každý střet dvou shluků znamená průměrně 23 proton-protonových srážek. Střední počet částic, které se narodí ve všech těchto srážkách, je zhruba 1500. Detektor by měl zachytit co nejvíce z nich. Bohužel jsem líný kreslit 1011 protonů v každém shluku ... Každý proton nese energii 7 TeV, takže každý shluk s 1011 protony nese energii 1011×7×1012 eV = 7×1023 eV = 112 kJ. To je makroskopická energie !!! Takovou energii by mělo auto s hmotností 1200 kg při rychlosti 50 km/h!

(to chce rozumět procesům, které se dějí při průchodu částic látkou). Skutečný detektor by neměl mít žádné „díry“ a měl by letícím částicím vystavovat dostatečně tlustou vrstvu materiálu, aby je zachytil. (to chce rozumět procesům, které se dějí při průchodu částic látkou). Bod srážky je sledován detektorem, v této ilustraci spousta částic detekci uniká. Bod srážky obklopený vrstvami různých (sub)detektorů.

ve velkém bloku železa: 1m Podívejme se na interakci různých částic se stejnou energií (zde 300 GeV) ve velkém bloku železa: 1m Elektron s vysokou energií vyzařuje fotony, které se konvertují na elektron-pozitronové páry, které zase vyzařují fotony, které ... To je elektromagnetická sprška. elektron Miony s vysokou energií převážně jen ionizují mion pion (nebo jiný hadron) Elektrony and piony se svými “potomky” jsou skoro úplně pohlceny v dosta- tečně velkém železném bloku.. Pion se sráží s jádrem železa, a v této silné interakci se rodí několik nových částic, které opět interagují s dalšími jádry železa, rodí další nové částice ... To je hadronová sprška. Z rozpadů hadronů také občas vylétají miony.

Jaderná interakční délka t Stránky pro experty! Můžete je přeskočit, ale co to zkusit ? Pokuste se odpovědět na následující otázky: Jak asi interagují vysokoenergetické fotony? A jak asi neutrální piony, které se rozpadají velmi rychle na dva fotony (jejich střední doba života je jen 8×10-17 s, ct = 25 nm)? Možná byste mohli pomyslet na elektromagnetické spršky ... Abychom trochu hlouběji pochopili elektromagnetické a hadronové spršky, je užitečné si vzpomenout na exponenciálně klesající pravdě- podobnost, že částice přežije let do hloubky t terče bez interakce nebo bez absorpce (podívejte se do kapitoly „Experiment v částicové fyzice“): kde jsme zavedli interakční délku t. Tato veličina určuje střední vzdálenost mezi srážkami hadronů s jádry materiálu a tak určuje, kde hadronová sprška pravděpodobně začne a jak rychle se bude vyvíjet. Radiační délka X má podobný význam při rozvoji elektromagnetické spršky – určuje střední dráhu elektronu do vyzáření fotonu a také střední dráhu fotonu před konverzí na elektron-pozitronový pár. Podívejte se na konkrétní hodnoty pro několik materiálů: Materiál Radiační délka X Jaderná interakční délka t voda 36,1 cm 83,6 cm železo 1,76 cm 16,9 cm olovo 0,56 cm 17,1 cm

Přehled konstrukce současných detektorů slibující zachycení téměř všech částic: Magnetické pole zahýbá dráhy částic a pomáhá měřit jejich hybnosti. elektron Hadronový kalorimetr: nabízí svůj materiál pro rozvoj hadronových spršek a měří energii, kterou v něm částice zanechají. mion Neutrina utíkají nezpozorována. hadrony Vnitřní dráhový detektor: Minimum materiálu, jemná seg- mentace aby bylo možné měřit přesně body na drahách částic. Electromagnetický kalorimetr: nabízí materiál pro rozvoj elektromagnetických spršek a měří absorbovanou energii. Mionový detektor: nepokouší se miony zachytit, ale zazname- nává jejich dráhy.

Všechny detektory obalují trubku se svazky částic a místem srážky: Vlevo je hodně schematický a vpravo trochu méně schématický řez ATLASem. Vnitřní dráhový detektor Elektromagnetický kalorimetr Hadronový kalorimetr Mionový detektor

ATLAS CMS ATLAS a CMS užívají tytéž principy, ale liší se v realizaci. Vnitřní dráhový detektor Křemíkové pixely, Křemíkové stripy, detektor využívající přechodové záření, magnetické pole 2T. Křemíkové pixely, Křemíkové stripy. magnetické pole 4T. Elektromagne-tický kalorimetr Olověné desky v roli absorbátoru a tekutý argon jako aktivní médium Krystaly PbWO4 jako absorbátory a současně scintilátory Hadronový kalorimetr Železný absorbátor s plasto-vými scintilujícími dlaždicemi v centrální oblasti, měděný a wolframový absorbátor s te-kutým argonem blízko svazku. Absorbátor z nerezové oceli a mědi s plastovými scintilátory jako detektory Mionový detektor Velký toroidální magnet s mionovými komorami tvoří vnější část celého ATLASu. Miony měřeny už v centrál-ním poli, další mionové ko-mory vloženy do železa tvořícího magnetické jho.

Takže proč jsou detektory pro LHC tak obrovské??? Je tu mnoho naléhavých otázek Cesta do neznáma - k vyšším energiím LHC, 7+7 TeV Výzva teoretických předpovědí Zvědavost probádat neprobádané Je třeba zachytit a analyzovat mnoho velmi ener- getických částic ATLAS a CMS v jejich komplexnosti

Chmurný osud ATLASu po získání prvních dat? Jak z detektoru získat data? Detektory budou zaznamenávat srážky protoných shluků každých 25 ns, tj. s frekvencí 40 MHz. Celkem 23 pp srážek při každém potkání shluků znamená frekvenci pp srážek skoro 1 GHz. Několik GHz je frekvence současných procesorů, takže jak bude možné sbírat a obrábět data z takového obrovského detektoru??? Chmurný osud ATLASu po získání prvních dat? Je dobré si uvědomit, že nové shluky částic přilétají do oblasti srážky rychlostí světla, ale signály z detektoru se v kabelech pohybují vždycky pomaleji. Takže můžeme očekávat, že data z detektoru se budou uvnitř hromadit a že detektor dříve či později exploduje. Skoro každý student zná ze seminářů či přednášek pocit, že jeho hlava hrozí explozí. Řešení je docela lidské – soustředit se na nejzajímavější události a zapomenout na všechny ostatní. Tento postup zajišťuje tzv. trigrovací systém. Trigger plánovaný pro ATLAS má tři úrovně a v těchto třech krocích redukuje původní frekvenci pp srážek na konečných zhruba 100 – 200 „událostí“ (pp srážek) každou sekundu, které jsou uschovávány. Z jedné události je asi 1 MB dat.

Co dělat s takovou hromadou dat? Objem dat velmi rychle poroste – více než 100 MB za sekundu, okolo 10 TB za den, 1 PB (1015 B) za rok. To se dá přeložit na počet běžných médií – ATLAS by pro uschování získaných dat potřeboval vypálit CD každých 7 s, tedy tisíc CD za den, více než milion za rok... Jak by se hledala jedna konkrétní zajímavá událost v této hromadě? Počítačová kapacita potřebná k analýze této spousty dat přesahuje vše, co je dnes dostupné. Skupiny připravující experimenty na LHC aktivně spolupracují ve vývoji nových počítačových nástrojů pro budoucí potřeby. Řešením jsou distribuované počítačové kapacity a klíčové slovo je “grid” - síť. Toto slovo má analogický smysl jako např. rozvodná síť: distribuované požadavky na výpočetní kapacitu nebo data budou uspokojovány hierarchickou strukturou výpočetních center, viz obrázek na další stránce. Můžete namítat, že naše odhady jsou dosti hrubé. Počítali jsme s tím, že rok má 107 sekund místo skoro správných p×107 sekund. Očekává se ale, že experiment nepoběží a nebude nabírat data úplně celý rok.

Jak tyto velké kolektivy kolem experimentů pracují? Kdo to financuje? Kolaborace ATLAS čítá okolo 1850 fyziků a inženýrů ze 175 ústavů v 34 zemích. CMS má podobný seznam účastníků, často ze stejných zemí, který se nepřekrývá s ATLASem. Každý ústav má odpovědnost za specifikované části, formalizované v dokumentech Memorandum of Understanding. Finanční podporu poskytují grantové agentury jednotli-vých účastnických zemí.

Každý subdetektor prochází dobře dokumentovaným procesem: Oby tyto experimenty mají dobře definovanou demokratickou struk-turu pro řízení všech záležitostí. Každý subdetektor prochází dobře dokumentovaným procesem: formulace požadavků Review příprava podrob-ných technických specifikací nalezení a na-smlouvání dodavatelů Review Review instalace Review výroba prototypů všech částí testování schválení Review Review výroba použití

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

Rozhodnutí a technické para-metry jsou dokumentovány v „Technical Design Reports“, všechny dokumenty a výkresy jsou dostupné na WWW, který byl vynalezen v CERNu. The NEXT cube, počítač, na kterém běžel první WWW server, v expozici Microcosm a Tim Berners-Lee, který společně s Ro- bertem Cailliau vynalezli WWW.

Co se děje právě teď? Průmyslové společnosti z celého světa vyrábějí součásti detektorů. Tyto součásti jsou skládány a testovány v jednotlivých spolupracujících ústavech. Konečná instalace probíhá v CERNu za účasti spolupracujícíh týmů. Kryostat pro elektromagnetický kalorimetr používající tekutý argon. Hadronový kalorimetr sestavovaný v podzemní jeskyni experimentu ATLAS Toroidální magnety mionového systému

To be continued