Spis treści 1. Wstęp eksperyment ALICE wyzwaniem dla nauki i techniki LHC program badawczy i realizacja praktyczna...8

Transkrypt

1 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 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

2 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 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 3

4 Spis treści 1. Wstęp eksperyment ALICE wyzwaniem dla nauki i techniki LHC program badawczy i realizacja praktyczna Założenia konstrukcyjne i budowa LHC Ultrarelatywistyczne zderzenia ciężkich jonów Dotychczasowe badania ciężkich jonów Fizyka ciężkich jonów w LHC Eksperymenty w tunelu LHC ALICE ATLAS CMS LHCb TOTEM LHCf Eksperyment ALICE Uwagi historyczne Program fizyczny eksperymentu Reakcje ciężkich jonów Warunki prowadzenia eksperymentu Akceptancja Śledzenie i określanie pędu cząstki Identyfikacja cząstek (PID - Particle IDentification) Struktura detektora ALICE ITS SPDs SDDs SSDs

5 5.2 TPC Systemy identyfikacji cząstek (PID Particle Identification) TOF HMPID PHOS Magnes Solenoidalny Detektory mionowe (Muon Arm) Dokumentacja i prezentacja eksperymentu ALICE Środowisko ROOT AliRoot Przygotowanie dokumentacji i wizualizacji eksperymentu ALICE AliRoot OpenGL Extractors D Studio Max Blender STL_Util Wykonanie modelu NB Composites Wystawa o LHC i udział autora w jej realizacji Historyczny moment uruchomienia LHC i ALICE Podsumowanie i plany na przyszłość Spis rysunków Bibliografia

6 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

7 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: 7

8 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 razy. Do zderzeń dochodzi w czterech detektorach na obwodzie LHC ALICE, ATLAS, LHCb i CMS. 8

9 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 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

10 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

11 oczekiwaniom. Wybrane dane techniczne zderzacza LHC (dane zaczerpnięte z: 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

12 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: 12

13 Rys. 2.2 Tunel LHC Widoczny jest kluczowy element LHC jeden z 1232 magnesów dipolowych. Zdjęcie zostało pobrane ze strony: Rys. 2.3 Magnes dipolowy Magnes dipolowy taki sam jak 1232 magnesy zamontowane w tunelu LHC 13

14 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: 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

15 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 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

16 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

17 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: 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

18 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

19 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

20 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

21 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: 21

22 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

23 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

24 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: 24

25 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: 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

26 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 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

27 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: 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: 27

28 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

29 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: 29

30 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

31 Rys. 3.9 Detektor TOTEM Detektory krzemowe wykorzystane w eksperymencie TOTEM. Obraz pobrany ze strony: 31

32 Rys Detektor TOTEM Detektory komory GEM (Gas Electron Multipliers) wykorzystane w eksperymencie TOTEM. Obraz pobrany ze strony: 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

33 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 Detektor LHCf Jeden z dwóch detektorów LHCf, zmontowany i gotowy do zainstalowania 140 m od punktu interakcji detektora ATLAS. Obraz pobrany ze strony: 33

34 Rys Detektor LHCf Jeden z dwóch detektorów LHCf, zmontowany w tunelu LHC140 m od punktu interakcji detektora ATLAS. Obraz pobrany ze strony: 34

35 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 razy większej niż 35

36 temperatura wewnątrz Słońca, 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

37 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 ) 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 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

38 <0.9, co jest kompromisem między akceptancją a kosztami 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 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

39 Rozdział 5. Struktura detektora ALICE Poniższe rysunki prezentują ogólny zarys budowy detektora ALICE. Zostały one wygenerowane z wykorzystaniem środowiska ALIROOT i programu Blender. Rys. 5.1 Detektor ALICE Widoczna jest centralna część detektora, ramię mionowe (po lewej stronie), magnes ustawiający wiązkę (niebieski, po lewej stronie) i obudowa detektora z betonu (szara) 39

40 Rys. 5.2 Detektor ALICE 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

41 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 ). 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

42 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 ). 42

43 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

44 Rys. 5.6 ITS SPDs Sposób montażu dwóch warstw detektorów pikselowych SPD. Rycina pochodzi z Technical Design Report: Inner Tracking System 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

45 Rys. 5.7 ITS SDDs Widoczna jest zewnętrzna warstwa detektorów dryftowych umieszczonych na stelażu. Zdjęcie pochodzi ze strony: 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

46 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: 46

47 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 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

48 Detektor dryfowy Długość: 5100 mm Promień wewnętrzny: 845 mm Promień zewnętrzny: 2466 mm 18 segmentów zawierających padów: Wypełnienie: mieszanina Ne, Co2 (90/10) Objętość gazu: 85 m3 Pole elektryczne: 400V/cm Rys TPC Wnętrze detektora TPC w czasie montażu. Zdjęcie pochodzi ze strony: 48

49 Rys Umiejscowienie detektora TPC wewnątrz ALICE. 49

50 Rys 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 ). 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

51 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 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

52 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 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: 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

53 Rys TOF Widoczny jest jeden z modułów TOF gotowy do instalacji w ALICE. Zdjęcie pobrano ze strony: 53

54 Rys Instalacja TOF Instalacja modułu TOF wewnątrz detektora ALICE. Zdjęcie pobrano ze strony: 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

55 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 HMPID Instalacja detektora TOF wewnątrz detektora ALICE. Zdjęcie pobrano ze strony: 55

56 Rys HMPID Pojedynczy moduł HMPID przed zamontowaniem w detekorze ALICE. Zdjęcie pobrano ze strony: PHOS PHOS (PHOton Spectrometer Spektrometr Fotonów) jest zaprojektowany do badania fotonów powstałych w wyniku zderzeń cząstek w LHC. Składa się z 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

57 Dane Techniczne: 5 modułów każdy moduł zawiera 56 x 64 kryształów PWO co razem daje kryształów rozmiar kryształu 22 x 22 x 180 mm2 całkowita powierzchnia 8 m2 całkowita waga kryształów 12.5t temperatura pracy -250 C Rys PHOS Pojedynczy moduł PHOS przed zamontowaniem w detektorze ALICE. Zdjęcie pobrano ze strony: 57

58 Rys Kryształ PbWO4 Kryształ PbWO4 wykorzystywany w PHOS jako scyntylator. W pięciu modułach detektora zamontowanych jest niemal 18 tysięcy takich kryształów. Zdjęcie pobrano ze strony: 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

59 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 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

60 Rys Magnes L3 Instalacja jednych z wrót magnesu. Zdjęcie pobrano ze strony: 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

61 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 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

62 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

63 Rys 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

64 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

65 Rozdział 6. Dokumentacja i prezentacja eksperymentu ALICE 6.1 Środowisko 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

66 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

67 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

68 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 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

69 Rys. 6.4 ROOT Przykładowy output programu ROOT 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

70 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

71 Rys. 6.5 Dane typu RAW Wizualizacja rzeczywistego zderzenia protonów przy energii 2,36 TeV na parę protonów ( run ) przed rekonstrukcją. Rysunek wykonany w środowisku AliRoot 71

72 Rys. 6.6 Dane zrekonstruowane Wizualizacja rzeczywistego zderzenia protonów przy energii 2,36 TeV na parę protonów ( run ) 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

73 - 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

74 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

75 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

76 Rys AliEve Widoczny detektor ITS i detektory położenia wierzchołka VZERO. Rys AliEve Widoczna szczegółowa geometria detektora ITS. 76

77 Rys 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 gdzie możliwe jest sprawdzenie aktualnego statusu każdej produkcji, ilości zebranych zderzeń i miejsca ich przechowywania. 77