R. Leitner - ATLAS1 Projekt ATLAS v České republice R. Leitner, koordinátor pražské skupiny Memorandum o podpoře projektu ATLAS bylo podepsáno v roce 1998.

Prezentace na téma: "R. Leitner - ATLAS1 Projekt ATLAS v České republice R. Leitner, koordinátor pražské skupiny Memorandum o podpoře projektu ATLAS bylo podepsáno v roce 1998."— Transkript prezentace:

1 R. Leitner - ATLAS1 Projekt ATLAS v České republice R. Leitner, koordinátor pražské skupiny Memorandum o podpoře projektu ATLAS bylo podepsáno v roce 1998 dvěma přispěvateli: Ministerstvem průmyslu a obchodu České republiky Výborem pro spolupráci ČR s CERN Příspěvek ČR na jednotlivé části projektu ATLAS : 1.6 MCHF =0.5 MCHF + 0.5 MCHF + 0.3 MCHF + 0.3 MCHF 1.6 MCHF = 0.5 MCHF + 0.5 MCHF + 0.3 MCHF + 0.3 MCHF hadronovývnitřní společné vklad kalorimetr TileCaldetektor projekty za účastníky Na projektu pracují tři instituce: Akademie věd České republiky— 30 pracovníků (15 fyziků) na Tilecalu a vnitřním det. Fyzikální ústav, Ústav teorie informace a automatizace Karlova univerzita— 20 pracovníků (10 fyziků) na Tilecalu a vnitřním det. Matematicko-fyzikální fakulta České vysoké učení technické— 15 pracovníků ( 5 fyziků) na vnitřním detektoru, Fakulty jaderná a fyzikálně inženýrská, strojní a dopraví chlazení a stínění V dalším podrobněji o přípravě TileCalu, vnitřního detektoru, chlazení, stínění, trigeru, fyzikálního programu a software

2 R. Leitner - ATLAS2 ATLAS má velkou šanci objevit chybějicí článek do současného teoretického modelu elementárních částic – Higgsův boson, který hraje podstatnou roli ve vysvětlení hmot intermediálních bosonů. I kdyby byl do doby spuštění experimentu Higgsův boson objeven jinde, dával by ATLAS jedinečnou příležitost k detailnímu prozkoumání jeho vlastností. ATLAS má také potenciál objevit např. supersymetrické částice, které vystupují v alternativních teoriích, resp. rozšířeních současného “standardního modelu”, studovat projevy struktury částic, které se dnes jeví jako bezstrukturní (elementární fermiony), pátrat po dalších exotických částicích předpovídaných některými teoriemi. Jak přispěje ATLAS k dalším poznatkům? Standardní model – částice Standardní model – interakce Kromě lákavých exotických možností nabízí ATLAS detailní studium vlastností již známých částic a jejich interakcí, například studium narušeni CP parity, vlastností nedávno objeveného top kvarku atd. V neposlední řadě je ATLAS jako experiment na přední hranici lidského poznání připraven pozorovat jevy, o kterých nemáme dosud ani netušení.

3 R. Leitner - ATLAS3 Jak bude ATLAS vypadat a pracovat? Experiment ATLAS bude studovat srážky protonů urychlených budovaným urychlovačem LHC (Large Hadron Collider) na energie 7+7 TeV. LHC je následníkem existujícího urychlovače LEP v tunelu o délce 27 km. Dosud nedosažené energie budou zpřístupněny použitím supravodivých magnetů a dalších nových technologií. Každých 25 ns se budou srážet dva shluky protonů tak početné, že dojde v průměru ke 23 srážkám. Úlohou detektoru je zaregistrovat částice vzniklé v těchto srážkách.

4 R. Leitner - ATLAS4 V železe válcové části hadronového kalorimetru se rozvíjejí spršky hadronů, které způsobí slaboučké záblesky v plastikových destičkách („dlaždicích“) nastrkaných do mezer mezi železnými deskami. Světlo těchto záblesků je odvedeno optickými vlákny k fotonásobičům a v nich elektronicky zpracováno. Válcová část kalorimetru je doplněna “zátkami” okolo svazku používajícími měď a wolfram jako absorbátor a kapalný argon jako detekční médium. Střední válcová část je poskládána z 64 modulů – “dortových řezů”, každý modul je přitom smontován z 19 submodulů asi 800 kg těžkých. Výroba submodulů hadronového kalorimetru (TileCal) Submoduly vznikají slepením ocelových desek tak, aby zůstaly štěrbiny na desky scintilátoru. V únoru 1996 byly zhotoveny první 3 submoduly, hromadná výroba začala v prosinci 1998, všechny potřebné submoduly vyráběné v Praze, Dubně, Protvinu, Pise, Valencii, Barceloně, Chicagu, Urbaně a Arlingtonu musí být hotovy do února 2002. Všechna ocel (zhruba 3000 tun) byla dodána českými podniky.

5 R. Leitner - ATLAS5 I když je produkce “slepených děravých železných bloků” zdánlivě jednoduchá, není tak jednoduché při lepení dodržet rozměrové tolerance, například výšku submodulu 291.7+0.3 –1.5 mm) Odladěná výroba začíná čištěním ocelových desek, Výroba submodulů TileCalu Deformace jedné desky Chybné stažení před ztuhnutím lepidla Přes noc v barvě Pokračuje strojovým nanášením lepidla poskládáním, ztuhnutím lepidla, svařením slepence a konečně nabar- vením, aby moduly nezrezavěly po následujích nejméně 15 let.

6 R. Leitner - ATLAS6 Zdroje vysokého napětí pro fotonásobiče TileCalu Fotonásobiče, které převádějí nicotné světelné signály na elektrické pulsy, potřebují stabilní zdroje vysokého napětí Celkem jsou potřeba zdroje pro 10 000 fotonásobičů V laboratořích Fyzikálního ústavu AV byl vyvinut a vyroben předprototyp zdroje, schopný svými 256 kanály zásobovat 48 fotonásobičů vysokým napětím ve dvou úrovních (-830V, -950 V) s maximálním proudem 20 mA na kanál. Testy prokázaly vysokou stabilitu vyhovující požadavkům experimentu. Zdroje jsou na dálku ovladatelné ve standardu CANBUS. Zdroje bude vyrábět TESLA Praha, prototyp hotov v květnu 2000, prvních 16+2 jednotek bude dodáno v roce 2001

7 R. Leitner - ATLAS7 Směšovače světla pro TileCal Směšovače světla jsou nevelké (18×18×43 mm 3 ) plastové hranolky (materiálem je PMMA), sloužící ke smíchání a homogenizování světla přiváděného optickými vlákny od scintilačních dlaždic k foto-násobičům. Je jich s rezervou potřeba 10400 kusů. Směšovače jsou vyráběny v Optické laboratoři MFF UK. Systematicky je sledována a protokolována kvalita produkce (rozměrová tolerance 0,1 mm, kvalita povrchů). Prvních 2000 kusů bylo hotovo v prosinci 1999, v roce 2000 se plánuje výroba 4000 kusů a výroba by měla skončit v prosinci roku 2001

8 R. Leitner - ATLAS8 Testování TileCalu na svazku Energetické rozlišení (spolupráce elektro- magnetického a hadronového kalorimetru): (41.9%/  E+1.8%)  1.8/E Odezva na miony: fit konvolucí Landauova a Gaussova rozdělení Beam Masové výrobě sub- modulů předcházelo testování prototypů, nadále pokračuje detailní studium chová- ní konstruovaného detektoru pomocí ozařování částicemi různých energií. Mionové stěny detekují částice nezastavené kalorimetrem Ilustrace efektu kontroly Energie uniklé z kalorimetru: Testování na svazku již přineslo zajímavé fyzikální výsledky: Measurements of muon bremstrahlung Z. Phys. C73 (1997) 455

9 R. Leitner - ATLAS9 Pixelové detektory pro vnitřní detektor Polovodičové detektory, které umožňují zjistit, kterou z mnoha malých plošek (pixelů) prošla nabitá částice, jsou vyvíjeny a testovány ve Fyzikálním ústavu AV. Testovací zařízení ukazuje horní fotografie, zařízení na připojování vodičů k čipům dolní. Vpravo je schéma „Kdo dělá Co“

10 R. Leitner - ATLAS10 Pixelové detektory pro vnitřní detektor Přední a zadní strana křemíkových desek s pixelovými detektory, vyrobenými v podniku Tesla Rožnov. Tesla vyrábí předsérii detektorů. Napětí průrazu > 150 V Závěrný proud < 100 nA/cm2 Vyrobené desky splňují požadavky ATLAS

11 R. Leitner - ATLAS11 Stripové detektory (SCT) pro vnitřní detektor Pracovníci ve Fyzikálním ústavu AV ČR se zabývají měřením a kontrolou kvality detektorů ve skupině s kolegy z Austrálie, CERN, Krakova, Ženevy, Ljubljany a Moskvy. V minulých letech: vyvíjeli ve spolupráci s Universitou V Ženevě a NPI Moskva stripové detektory typu n-in-n a další komponenty. Vzorky detektorů byly vyrobeny v továrně ELMA v Rusku, ozářeny v CERN a otestovány ve FzÚ. se podíleli na vyhodnocení detektorů CSEM p-in-n na Univerzitě Ženeva připravili laserové testovací zařízení pro studium ozářených detektorů technikou přechodových proudů v CERN V tomto a následujících letech: provedou měření kvality cca 100 předsériových továrně vyrobených (firmou Hamamatsu) detektorů připraví čistou laboratoř s plochou 60 m 2 budou měřit kvalitu 1600 detektorů pro skupinu spolupracujících laboratoří.

12 R. Leitner - ATLAS12 Ve Fyzikálním ústavu AV ČR byl vyvinut prototyp zdrojů nízkého napětí pro napájení modulů křemíkových detektorů v podobě karty standardu VME. Celkem bude potřeba 4088 napěťových kanálů. Karta, která bude umístěna vně celého ATLASu, je zdrojem několika různých napětí pro elektroniku modulů. Napětí pro analogovou (3,5 V/1,4 A) a digitální část (4 V/1 A) modulu jsou měřena a stabilizována na danou úroveň v místě vlastního křemíkového detektoru. Průběh prací: Do současnosti (podzim 2000) bylo vyrobeno již 14 prototypů verze l a 40 prototypů verze 2 (firma Rybka), které jsou užívány v ČR, CERN, UK, Holandsku, Japonsku, Austrálii a Německu. Předsérie by měla být vyrobena v roce 2001 a v letech 2002 a 2003 proběhnout sériová výroba 1100 čtyřkanálových karet Zdroje nízkého napětí pro SCT ATLAS

13 R. Leitner - ATLAS13 Měří se voltampérové charakteristiky detektorů, kvalita a parametry čipů, celých modulů. K testování se používají diagnostické prostředky, které jsou zabudovány přímo do elektroniky modulů a externí podněty – nabité částice (SPS CERN) nebo laser. Naši pracovníci dlouhodobě pracují na návrhu technologie výroby v Mnichově a Freiburgu. Na Karlově univerzitě a Českém vysokém učení technickém se testují moduly stripových detektorů. K tomu jsou k dispozici 2 testovací systémy a třetí modernější systém bude dodán do konce roku 2000. Systémy obsahují zdroje nízkých napětí, zdroj vyso- kého napětí, systém konfigurování modulu a vyčítání dat, připojený přes VME k počítači, potřebný software pro nabírání dat a pro jejich vyhodnocení. Práce vyžaduje čistou místnost a chlazení Jednotlivé operace a testy modulů probíhají v Praze, Mnichově, Freiburgu a Amsterodamu (tzv. středo- evropské skupině; v rámci celého ATLASu existují ještě dvě další skupiny). Moduly stripových detektorů (SCT) pro ATLAS

14 R. Leitner - ATLAS14 Chlazení vnitřního detektoru ATLAS Skupina vybudovala databázi chladicích kapalin (C 3 F 8, C 4 F 10, CF 3 I a směsí C 3 F 8 A C 4 F 10 ) podílela se na návrhu chlazení vyvinula mobilní a flexibilní systém pro měření a sběr dat provedla měření na prototypech pixelo- vých a SCT detektorů bude pokračovat v dalším vývoji chladicího systému a měření jeho funkce Vnitřní detektor obsahuje značné množství elektroniky, která vyžaduje chlazení. Pražská skupina podstatně přispěla k vývoji systému chlazení.

15 R. Leitner - ATLAS15 Pražská skupina z ČVUT je členem atlasovského týmu pro přípravu stínění. Speciálně se podílí na vývoji polyetylénového moderátoru a na návrhu stínění pro oblast blízko svazku. Skupina provedla na urychlovači SPS v CERN experimentální testy funkce různých typů vnějšího neutronového stínění, vedle experimentů provádí Monte Carlo simulace. Výsledky práce byly publikovány v ATLAS Technical Coordination TDR, CERN/LHCC/99-01 Návrh použití polyetylénového moderátoru dopovaného lithiem ve vnitřním detektoru směřuje k prosazení dodávky tohoto materiálu z ČR. Neutronové stínění detektoru ATLAS Některé výsledky Monte Carlo simulací účinku různého uspořádání neutronového stínění. Neutrony vznikají v hadronové spršce rozvíjející se v železném bloku, do kterého vlétla nabitá částice z urychlovače.. Obrázky ukazují rozdělení neutronů zastavených v různě uspořádaném stínění – PE, BPE, LiPE, BPE + Fe, BPE + Pb, BPE + Fe + LiPE. Výsledky simulací dobře souhlasí s experimenty na SPS.

16 R. Leitner - ATLAS16 Neutronové stínění detektoru ATLAS Pražská skupina navrhla stínění pro oblast blízkou svazku (Forward Region) v podobě velkých rozebratelných a do sebe zapadajících bloků vyrobených z koncentrických vrstev oceli, litiny, borovaného polyetylénu, oceli, lithiovaného polyetylénu (LiPE) a olova. Probíhá diskuse, zda je poslední vrstva olova nezbytná.

17 R. Leitner - ATLAS17 Prohlížeč objektů Atlantis Program pro zobrazování událostí (event display) z experimentu ALEPH byl přepsán do jazyka JAVA WIRED - event display v jazyku JAVA GraXML je třídimenzionální event display JAS - analytické studio v jazyku JAVA Software pro ATLAS – grafika Pro zobrazování a vyhodnocování experi- mentálních dat je připravován grafický software, pracovník z FzÚ koordinuje vývoj jeho klíčových složek.

18 R. Leitner - ATLAS18 Software pro ATLAS - algoritmy triggeru Pražská skupina se podílí na vývoji software pro hledání drah v rámci triggeru druhé úrovně a testování hardware triggeru (FPGA, spolupráce s Mannheimem a Saclay) pomocí MC dat nagenerovaných pro rozpad B S O  J/  f. Skupina také vyvíjí nový vlnový algoritmus, obr. ukazuje rekonstrukci drah ve vnější části vnitřního detektoru, v tzv. TRT (Transititon Radiation Tracker). Ve spolupráci se Saclay testuje skupina použití algoritmů neurálních sítí na odlišení produkce Higgsova bosonu v kanále vedoucím na čtyři jety od pozadí. Algoritmus používá kompletní granularitu kalorimetru. Analýzy použití neurálních sítí budou rozšířeny na trigger hledající b-jety. Budou-li takové použití neurálních sítí úspěšná, umožní ATLASu efektivnější hledání procesů vedoucích k b-kvarku a následně jetu.

19 R. Leitner - ATLAS19 Příprava fyzikálního programu: B-fyzika Skupina koordinovala produkci Monte-Carlo simulovaných dat, která byla použita pro fyzikální studie a jsou uschována pro nové testy software. Pracovníci skupiny spolupracují s dalšími experimenty na vývoji univerzálně použitelné knihovny programů pro popis rozpadů částic s b-kvarkem. Pražská skupina se zabývá přípravou fyzikálního programu, zaměřeného na studium vlastností částic obsahujících b-kvark, speciálně přesným měřením polarizace produkovaných baryonů s b-kvarkem narušením CP parity vně rámce Standardního modelu v rozpadech B S O  J/  Předpokladem tohoto studia bylo upřesnění modelů produkce pro energie urychlovače LHC pomocí dat z experimentů CDF a D0.

20 R. Leitner - ATLAS20 Fyzika – Spinové korelace t a t kvarků Jednotlivé čáry na obrázcích odpovídají předpovědím standardního model (SM), případu zanedbání spinů (NC) a dvěma úrovním CP narušení (CP28 a CP96). Malé rozdíly viditelné na prvním obrázku jsou zvýrazněny na dalších obrázcích, kde jsou vyneseny relativní diference. Velký počet produkovaných párů nejtěžšího kvarku t a jeho antikvarku umožní zkoumat dynamiku jejich vzniku pomocí sledování jejich spinu. Spiny t-kvarku a anti-t-kvarku mohou být orientovány souhlasně vzhledem ke směru jejich pohybu nebo nesouhlasně. Poměr těchto dvou případů svědčí o mechanismu vzniku t t, což jsou kvarky 35× těžší než b-kvarky již relativně dobře prostudované. Jednotlivé spinové orientace se poznají podle úhlu mezi koncovými leptony. t t p p g g W+W+ e+(e+( b b W–W– e–(–)e–(–)

21 R. Leitner - ATLAS21 Fyzika — ověřování a rozvoj QCD Od fundamentální teorie silných interakcí, za kterou se dnes považuje kvantová chromodyna- mika (QCD), očekáváme vysvětlení měřených dat a předpovědi důležité pro přípravu budoucích experimentů. Výpočty rozdělení nabitých částic pro podmínky urychlovače Tevatron (Fermilab, USA) lze již srovnávat s výsledky experimentu, výpočty pro LHC jsou opravdu předpověďmi.

22 R. Leitner - ATLAS22 Počítačová infrastruktura projektu ATLAS Experiment Atlas bude po roce 2005 produkovat desítky TB dat ročně. Současná lokální infrastruktura v ČR umožňuje zpracovávat stovky GB dat, proto je nezbytné vytvořit do roku 2005 generačně novou infrastrukturu. K vyřešení situace laboratoří účastnících se experimentu ATLAS přispěje Evropský projekt DATAGRID. ČR se projektu účastní. Od konce roku 2000 bude v ČR k disposici prostor pro data 1 TB a pro intenzívní počítání a zpracování dat Linuxová farma s 64 procesory. Další zvětšení kapacity bude znamenat od roku 2001 pásková knihovna 10 TB, plánována je pravidelná každoroční modernizace. Počítačové spojení s CERN má dnes kapacitu 4 Mb/s, připojení pomocí Evropského projektu GEANT poskytne od roku 2001 kapacitu ~ 1 Gb/s. Toto rychlé spojení bude vyhrazeno pro vybrané výzkumné projekty, na kterých se ČR též účastní.

23 R. Leitner - ATLAS23 Popularizace projektu ATLAS Přispíváme k činnosti popularizační skupiny experimentu ATLAS (například k dokumen- tačnímu systému fotografií, podíleli jsme se na přípravě videofilmu o projektu ATLAS) Pravidelně konáme přednášky a exkurze pro studenty i učitele o částicové fyzice a speciálně ATLASU Srozumitelná informace o ATLASu a částicové fyzice je začleněna do nové sady učebnic fyziky pro základní školu Fyzika kolem nás a je veřejnosti dostupná na webových stránkách http://www-hep.fzu.cz/~rames/outreach/castice.html

24 R. Leitner - ATLAS24 Shrnutí České instituce výrazně přispěly k projektu ATLAS, jak při konstrukci detektoru, tak při přípravě fyzikálního programu Během let 1996 až 1999 bylo publikováno 48 časopiseckých článků, 52 interních (ale veřejně dostupných) zpráv spolupráce ATLAS a bylo prezentováno a publikováno 75 vystoupení na konferencích. Velká část článků a konferenčních vystoupení je dílem teoretické skupiny uvnitř ATLAS. Bylo obhájeno pět diplomových prací, dvě doktorské práce jsou před obhajobou. Na projektu začínají pracovat další mladí lidé. Již 45 % našeho příspěvku do ATLAS je zaplaceno.