POMIARY KOMPUTEROWO WSPOMAGANE w WIELKIM ZDERZACZU HADRONÓW (LHC)

Transkrypt

1 POMIARY KOMPUTEROWO WSPOMAGANE w WIELKIM ZDERZACZU HADRONÓW (LHC) Henryk Szydłowski Wydział Fizyki UAM Umultowska 85, Poznań henryksz@amu.edu.pl Streszczenie W pracy omówiono sposoby detekcji cząstek jonizujących stosowane w Wielkim Zderzaczu Protonów oparte na zasadzie liczników Geigera-Mullera, detektory półprzewodnikowe i fotodetektory. Przedstawiono podstawowe informacje o zderzaczu, omówiono nieco dokładniej budowę i zasadę działania jednego z wielkich detektorów detektora ATLAS. Podstawą do zrozumienia pracy jest opracowanie: Pomiary komputerowo wspomagane, w którym omówiono zasady stosowania komputerów do pomiarów fizycznych. 1. Wstęp Wielki Zderzasz Hadronów (Large Hadron Colider) jest największym urządzeniem pomiarowym zbudowanym przez człowieka [1 4]. Ciekawe jest i to, że ten największy zestaw doświadczalny służy do badania cząstek elementarnych - najmniejszych cegiełek materii. Na cały zestaw składa się komplet akceleratorów, z których największy tworzy koło o średnicy 17 km, zestawu pięciu detektorów, których zadaniem jest zarejestrowanie i identyfikacja wszystkich cząstek powstających jako produkty zderzeń, olbrzymiego zestawu komputerów o mocy obliczeniowej większej niż kiedykolwiek dotąd stosowano. Do tego zestawu zwanego gridem włącza się bardzo wiele potężnych ośrodków obliczeniowych w wielu krajach świata, w tym również Centrum w Poznaniu. Przyrządy do badania promieniowania jonizującego powstawały już od chwili jego odkrycia. Zbudowano w tym celu wiele przyrządów i opracowano wiele metod pomiarowych, które są stosowane i doskonalone do dziś. Jedną z najstarszych technik, była technika klisz fotograficznych. Polegała ona na umieszczeniu nie naświetlonej kliszy fotograficznej na drodze promieni. Miejsca, przez które promień jonizujący przeszedł przez emulsję, zostały naświetlone. Po wywołaniu kliszy, pod mikroskopem można obserwować ślady torów cząstek utrwalone w kliszy. Na rysunku 1 pokazano przykład śladów tak zwanych gwiazdek, czyli miejsc, w których zaszło ciekawe zdarzenie. Dodajmy, że zarejestrowanie takich śladów jakie pokazano na rysunku 1 było wielką rzadkością, bo kto mógłby zmusić, by zdarzenie zaszło w cienkiej błonie emulsji fotograficznej, a promienie jonizujące, poruszały się tylko w płaszczyźnie kliszy fotograficznej? 1

2 Rys. 1. Ślady pozostawione w kliszy przez promienie jonizujące. Tak zwane gwiazdki, czyli miejsca skąd rozchodzi się wiele śladów są miejscami zderzeń, lub rozpadów promieniotwórczych. Eksperymentator musiał poświęcić wiele godzin pracy, by pod mikroskopem przeszukać punkt po punkcie sterty klisz, znaleźć interesujące zdarzenia - gwiazdki, by na podstawie utrwalonych śladów zidentyfikować cząstki, które poszczególne ślady pozostawiły, i wreszcie poprawnie odgadnąć zdarzenie, które nastąpiło w miejscu gwiazdki. Równocześnie z techniką klisz fotograficznych rozwijały metody detekcji i przyrządy takie jak scyntylatory, liczniki Geigera-Mullera, komory Wilsona i inne. Rys. 2. Symulowany rezultat identyfikacji produktów zderzenia w detektorze gderacza. Zadanie olbrzymich detektorów w zderzaczu sprowadza się do tego samego co badanie śladów na kliszy fotograficznej. Polega na zarejestrowaniu i identyfikacji każdego śladu pozostawionego przez promień jonizujący. Jednak cel jest osiągany za pomocą innych narzędzi i w inny sposób. Na kliszy utrwalał się obraz bardzo małego fragmentu całego 2

3 procesu, a w zderzaczu, żadna cząstka nie może się wymknąć niepostrzeżenie. Symulowany komputerowo ostateczny obraz, którego twórcy zderzacza oczekują, pokazano na rysunku Licznik Geigera-Müllera Zasadę działania licznika Geigera-Müllera pokazano na rysunku 3 [5]. Licznik składa się z zamkniętej na końcach rurki oraz cienkiego drutu rozciągniętego wzdłuż jej osi. Rurka jest hermetycznie zamknięta na końcach i wypełniona argonem z odpowiednio dobranymi domieszkami. Jej boczne ścianki są wykonane z materiału przewodzącego prąd. Drucik jest izolowany elektrycznie od rurki i stanowi elektrodą dodatnią. W czasie pracy licznika, pomiędzy drucik i obudowę przykłada się wysokie napięcie rzędu 1kV, dzięki czemu w rurce wytwarza się silne pole elektryczne skierowane radialnie. Cząstka jonizująca o bardzo dużej energii przebiegająca przez licznik rozrywa powłoki elektronowe neutralnych atomów i pozostawia na swej drodze wiele wolnych elektronów i jonów. Te z kolei, przyspieszane w polu elektrycznym zderzają się z neutralnymi atomami gazu i jonizują je. Tworzą się w ten sposób lawiny ładunków elektrycznych i powstaje krótkotrwały przepływ prądu. Lawina elektronów docierających do anody neutralizuje zgromadzony tam ładunek dodatni, znika pole elektryczne, nie są wyzwalane nowe elektrony i lawina ładunków wygasa. Bardzo istotną rolę spełnia opornik elektryczny R o dużym oporze włączony pomiędzy dodatnim biegunem źródła napięcia i drucikiem anody. W momencie, kiedy prąd wytworzony ruchem lawiny jonów neutralizuje dodatnie ładunki na anodzie, na oporniku powstaje duży krótkotrwały spadek napięcia, który jest sygnałem pomiarowym, czyli nośnikiem informacji o tym, że przez licznik przebiegła cząstka jonizująca. Przez opornik, z anody źródła wkrótce przepływają nowe ładunki na drut, i licznik jest gotowy do zarejestrowania nowej cząstki. R Sygnał mierzony Korpus licznika Wysokie napięcie - + Rys. 3. Budowa licznika Geigera-Müllera i układu zasilającego. W okresie poprzedzającym elektronikę cyfrową, sygnał pomiarowy był wzmacniany i stanowił tak zwany impuls pomiarowy, a liczba impulsów w jednostce czasu była miarą natężenia promieniowania jonizującego. Szybkość wygaszania wyładowania lawinowego następującego po przejściu cząstki jonizującej i zdolność rozdzielcza wzmacniaczy decydują o granicznej prędkości zliczania impulsów. 3

4 3. Liczniki rejestrujące promieniowanie jonizujące w LHC W detektorach wielkich zderzaczy do rejestracji i lokalizacji śladów promieni jonizujących stosuje się udoskonalone i bardzo różnorodne wersje liczników Geigera-Müllera Jednym z rozwiązań jest komora dryftowa (rys. 4) zastosowana w detektorze zderzacza The Stanford Linear Collider (SLAC) [6, 7] zbudowanego w latach w USA. Komora ta zawiera precyzyjnie rozmieszczonych drutów ułożonych pod pewnymi kątami względem siebie, z których każdy spełnia funkcję jednego bardzo długiego licznika G-M. Komora jest zamknięta i wypełniona gazem typowym dla liczników G-M. Komputerowa technika pomiarowa znacznie zwiększa czasową zdolność rozdzielczą liczników do ułamków pikosekundy (ps). W tak krótkim czasie światło i sygnał elektryczny w przewodzie jednym z drutów komory przemieszcza się na odległość centymetrów. Dzięki temu można mierzyć opóźnienia czasowe sygnałów rejestrowanych w poszczególnych drutach. Z względnych opóźnień sygnałów można wyznaczyć położenie punktu drutu-anody l 1, l 2, l 3 w pobliżu których przebiegła cząstka jonizująca, a nawet odległość śladu cząstki od drutu. Informacje z kilku sąsiadujących liczników pozwalają zlokalizować tor drobiny w przestrzeni komory, w sposób pokazany na rysunku 5. Rys. 4. Budowa komory dryftowej w zderzaczu SLAC. Rys. 5. Zasada wyznaczania punktu toru cząstki jonizującej za pomocą trzech drutów ustawionych pod różnymi kątami, w których sygnał został zarejestrowany. 4

5 Liczniki słomkowe. W LHC nie stosuje się liczników wielodrutowych, lecz układy tak zwanych liczników słomkowych. Każdy z nich jest samodzielnym licznikiem G-M, ma średnicę zewnętrzną 4mm i długość 144cm. Łącznie w każdym z detektorów stosuje się setki tysięcy takich liczników. Liczniki dryftowe (Drift Tubes). Jest to swego rodzaju układ warstw liczników o kształcie prostokątnym szerokości 4 cm długości 2 2,5 m (rys.6) [8]. Cząstka jonizująca, której tor pokazuje czerwona strzałka, przebiegająca przez liczniki zaznaczone kolorem białym ponumerowane cyframi 1, 2, 3, 4. Swobodne elektrony wytworzone lokalnie w miejscu przebiegu promienia potrzebują pewnego czasu t 1i na wytworzenie lawiny elektronów wtórnych i pokonanie drogi do drutu, zaznaczonej na rysunku czarnymi strzałkami, i wytworzenie impulsu. Ten impuls z kolei dopiero po pewnym czasie t 2 i pokonuje drogę od miejsca, do którego dotarły ładunki do końca drutu i układu rejestrującego. Z danych (czasów opóźnienia) zebranych z wszystkich liczników, przez które cząstka przebiegła, układ komputerowy oblicza dwie współrzędne miejsc, przez które cząstka jonizująca przebiła komory poszczególnych liczników. Rys. 6. jeden zestaw liczników dryftowych [8]. Pojedynczy blok liczników o wymiarach rzędu 2m 2,5m składa się z czterech warstwach po 60 liczników. Na jeden zestaw składają się trzy takie bloki. Środkowy jest wykorzystany do wyznaczania współrzędnej wzdłuż kierunku biegu wiązki, a dwa skrajne do pomiaru współrzędnych prostopadłych. Rys. 7. Budowa i reakcja komory taśmowej na promień jonizujący [9]. Pomarańczowa plama oznacza obszar jonizacji (indukowania ładunków), a słupki poniżej przyrządu wielkość sygnału odbieranego w poszczególnych taśmach. 5

6 Komory taśmowe (Cathode Strip Chambers). Komory takie składają się z naładowanych dodatnio anod w postaci drutów ustawionych w jednej płaszczyźnie prostopadle do układu ujemnie naładowanych miedzianych katod zbudowanych w postaci taśm - pasków (rys. 7) ułożonych również w jednej płaszczyźnie w niewielkiej odległości od drutów. Całość jest wypełniona gazem roboczym jak w zwykłych licznikach G-M. Cząstki jonizujące, biegnące prostopadle do układu drutów i taśm, powodują powstanie dwóch lawin ładunków: elektronów i dodatnich jonów. Swobodne elektrony tworzą impuls w drucie anodzie, dodatnie jony w taśmie-katodzie. Druty są ustawione prostopadle względem taśm, obydwa sygnały pozwalają określić dwie współrzędne dla każdej cząstki jonizującej. Komory oporowe (Resistive Plate Chambers). Komory oporowe są zbudowane z dwóch równolegle ustawionych płyt: dodatnio naładowanej anody i ujemnie naładowanej katody. Są to płyty z plastiku o bardzo dużym oporze elektrycznym, ale przezroczyste dla elektronów. Są oddzielone przestrzenią zawierającą gaz stosowany w licznikach (rys. 8). Do anody przylega układ metalowych taśm detekcyjnych. Katoda pokryta jest arkuszem folii. Podobnie jak w przypadkach poprzednich, cząstka jonizująca jonizuje atomy i tworzy się lawina, która docierając do anody tworzy sygnał pomiarowy. Układ pomiarowy działa bardzo szybko, rozdzielczość czasowa jest równa 1ns (1 nanosekunda). Dzięki temu układ komór oporowych można stosować do wyznaczania pędu cząstek mionów i również do trygerowania (odrzucania zdarzeń nie interesujących). Taśmy detekcyjne Płyta oporowa Ramka dystansowa Płyta oporowa Folia aluminiowa Rys. 8. Schemat budowy Komory oporowej [9]. 4. Detektory półprzewodnikowe (komórkowe - pixel) Detektor komórkowy (pixel Detector) [10]. Zasada działania detektorów półprzewodnikowych jest podobna jak cyfrowego aparatu fotograficznego. Istotna nowość w aparatach cyfrowych w stosunku do aparatów filmowych polega na zastąpieniu filmu światłoczułego zestawem milionów półprzewodnikowych czujników światła zwanych pikselami. Zadaniem każdego z pikseli jest rejestracja natężenia światła. Zasada działania pojedynczych pikseli detektorów cząstek jonizujących w detektorach LHC jest następująca: Cienka płytka półprzewodnika (krzemu) jest pokryta z dwóch stron cienką warstwą przewodzącą - elektrodami. Do tych elektrod przykłada się wysokie napięcie (podobnie jak w liczniku G-M). Promień jonizujący biegnący przez półprzewodnik wyzwala wiele swobodnych ładunków (elektronów i dziur, rys. 9a.1), które w polu elektrycznym 6

7 poruszają się ku elektrodom powodując krótkotrwały przepływ prądu elektrycznego (9a.2) powodującego spadek napięcia przyłożonego do elektrod i pola elektrycznego w pikselu. Detekcyjny układ elektroniczny przetwarza ten impuls na sygnał pomiarowy rejestrowany przez układ pomiarowy (9a.3). W praktyce cały układ nie jest zbudowany z pojedynczych pikseli, lecz z zestawów zwanych modułami. Jeden moduł detektora LHC jest zbudowany na jednej płytce półprzewodnika a pojedyncze piksele o wymiarach 64μm 63.6μm są wydzielane z płytki przez układ elektrod tworzących paski o szerokości piksela. Układy elektrod po dwóch stronach płytki ustawione są prostopadle, lub pod kątem a ich skrzyżowania wyznaczają powierzchnię pojedynczego piksela. Również w tym przypadku, podobnie jak w przypadku liczników G-M położenie piksela przez który przeszła cząstka jonizująca wyznacza się z opóźnienia czasowego impulsu rejestrowanego przez układ odczytowy. a b Rys. 9. Zasada działania pojedynczej komórki detektorów półprzewodnikowych (a), oraz budowa modułu takiego detektora (b). Chociaż zasada działania detektora komórkowego jest zbliżona do kamery cyfrowej, istnieją poważne różnice konstrukcyjne. W kamerach rejestruje się fotony o energiach rzędu kilku ev, które wnikają tylko w powierzchniową warstwę detektora, tymczasem cząstki jonizujące badane w zderzaczu mają energię rzędu miliarda ev. One przechodzą przez płytkę bez zauważalnej utraty energii, stąd ładunki swobodne powstają w całej objętości krzemu, a sam materiał musi być odporny na niszczące działanie tak silnego promieniowania. Detektory półprzewodnikowe (semi-conductor Tracker). Ich budowa i działanie są w zasadzie takie same jak detektorów komórkowych. Różnica polega na rozmiarach. Mają one kształt taśmy o szerokości rzędu 80 m i długości 12,6 cm, stąd zbierają sygnały z większej powierzchni. 5. Fotodetektory Do detekcji światła stosuje się czujniki oparte na zjawisku fotoelektrycznym zewnętrznym lub wewnętrznym. Fotodetektorem jest próżniowa komórka fotoelektryczna, w której wykorzystuje się zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne znane z podstaw fizyki [5]. Fotony padające na płytkę metalu wybijają z niej elektrony (rys. 10). Z tego powodu ujemnie naładowany elektroskop szybko rozładowuje się [5]. 7

8 Liczba elektronów wyzwalanych przez światło jest niewielka. Pojedynczy foton może wyzwolić pojedynczy elektron, a to nie wystarcza do stworzenia sygnału pomiarowego. Z tego powodu w fotopowielaczach [11] sygnał zwiększa się za pomocą specjalnych rozwiązań technicznych. Wyzwolone fotoelektrony wzmacnia się w silnym polu elektrycznym. Elektron, rozpędzony do dużej prędkości, uderza w elektrodę zwaną dynodą (D1 na rys. 11a), z której wybija kilka elektronów. Te znowu są rozpędzane w polu elektrycznym, zderzają się z dynodą D2, wyzwalają jeszcze więcej elektronów. Po kilku takich wzmocnieniach powstaje cała lawina elektronów, które ostatecznie padają na anodę wzbudzając mierzalny impuls prądu. W rzeczywistej lampie układ dynod jest bardziej upakowany, ale zasada działania jest taka sama (rys. 11b). Czułość fotopowielaczy jest tak duża, ze można za ich pomocą zarejestrować pojedyncze fotony. Światło Płytka cynkowa - Elektroskop Rys. 10. Doświadczenie dowodzące istnienia zjawiska fotoelektrycznego. F a b 8

9 Rys. 11. Zasada działania fotopowielacza (a) i jedno z możliwych rozwiązań technicznych budowy (b). W fotoelementach półprzewodnikowych do przetwarzania światła na sygnał elektryczny wykorzystuje się zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne. Foton padający na warstwę półprzewodnika przerzuca elektron z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa powodując natychmiastowy i gwałtowny wzrost przewodnictwa elektrycznego, lub powoduje powstanie różnic potencjałów (fotoogniwo). Obydwa rodzaje efektów wykorzystuje się w czujnikach światła. Czujniki, w zależności od sposobu działania nazywają się: fotoogniwami, fotodiodami lub fototranzystorami. 6. Wielki zderzacz hadronów (LHC - Large Hadron Colider) Zasadnicze elementy wielkiego zderzacza hadronów są zlokalizowane głęboko pod ziemią na pograniczu Szwajcarii i Francji (rys. 12) [13]. Główny pierścień akceleratora ma średnicę 8,6km i długość tunelu około 27km. Na całość składa się cała kaskada akceleratorów: liniowy (nadaje energię 1,4MeV), synchrotron protonowy Booster (do 1,4GeV), synchrotron protonowy (25GeV), super synchrotron protonowy (450GeV) i na końcu wielki zderzasz protonów (7TeV). Energia końcowa o wartość 7TeV (teraelektronowoltów = ev) odpowiada prędkości protonów równej 99, % prędkości światła w próżni, która wynosi w przybliżeniu c = km/s. Bezwzględna wartość energii wyzwalanej przy zderzeniu dwóch protonów o takiej energii jest w naszej skali bardzo mała i odpowiada energii wyzwalanej przy delikatnym klaśnięciu w dłonie, jednak w przypadku klaśnięcia rozkłada się ona nie na olbrzymiej powierzchni dłoni rzędu 25cm 2, a w zderzaczu ta sam energia skupia się na powierzchni protonu o średnicy m =0, m. Jest to energia olbrzymia, która wystarcza do zerwania wiązań łączących kwarki w protonach i wytworzenia całej lawiny nowych cząstek wtórnych. Rys. 12. Kaskada akceleratorów w CERN. Podstawowe popularne informacje o Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) znajdzie czytelnik w wielu źródłach i z tego powodu skupimy naszą uwagę na układach pomiarowych. Wielki zderzasz jest przeznaczony do badania produktów rozpadu powstających przy zderzeniach protonów. Protony są zgrupowane w paczkach liczących po ok cząstek. W momentach zderzeń są one uformowane w postaci igły cieńszej od ludzkiego włosa i długości kilku centymetrów. Zderzenia takich igieł następują w odstępach co 25 ns (nanosekund) co odpowiada częstości 40MHz. Wprawdzie w każdym akcie zderzenia igieł 9

10 zachodzi czołowe zderzenie zaledwie protonów jednak w sekundzie zachodzi do miliarda zderzeń. Detektory same są wyposażone w systemy selekcji (trygerowania) i odrzucają większość zdarzeń, rejestrują tylko tak zwane rzadkie przypadki, których jest około 100 na sekundę, czyli jedno na 10 milionów. Wiązki doprowadza się do zderzeń w kilku punktach pierścienia i w tych miejscach bada się skutki zderzeń za pomocą olbrzymiej aparatury pomiarowej, którą nazywamy detektorem. W wyniku zderzenia powstaje wiele różnych cząstek jonizujących. Wszystkie produkty rozpadu (porównaj rysunek 2) trzeba zarejestrować i zidentyfikować. Jest to zadanie z wielu względów bardzo trudne. Na obwodzie wielkiego zderzacza znajduje się pięć punktów, w których igły przeciwbieżnych wiązek protonów przenikają przez siebie (rys. 13). Wokół tych punktów rozlokowano pięć olbrzymich detektorów do rejestrowania wszystkich cząstek elementarnych powstających bezpośrednio w wyniku zderzenia i wtórnych stanowiących produkty i rozpadu pierwotnych. Są to: ATLAS (A Toroidal Lhc ApparatuS), ALICE (Large Ion Collider Experiment), CMS (Compact Miuon Solenoid) oraz LHCb (LHC-beauty). Naszym głównym obiektem zainteresowań będą fizyczne podstawy działania tych właśnie detektorów. Omówimy je na przykładzie detektora ATLAS. Symulację działania zderzacza pokazano w pozycji [14] Rys. 13. Rozmieszczenie detektorów produktów zderzeń na obwodzie LHC. 7. Budowa Detektora ATLAS Budowę detektora pokazano na rysunku 14. Jest on bardzo duży i bardzo złożony. Jest 44m długi, ma średnicę 25m i waży około 7 000ton. W jego budowie uczestniczyło około 2000 naukowców i inżynierów pracujących w 165 instytucjach w 35 krajach. Jest on przeznaczony do wykrycia powstających cząstek, wyznaczenia ich mas, pędu, energii, ładunku i spinu. Jego budowa przypomina cebulę z warstwami detektorów różnych typów, z których każdy dostosowany jest do identyfikacji innego typu cząstek lub pomiaru innej ich własności. Wymiary detektora muszą być tak duże również z tego względu, że musi on zatrzymać cząstki o bardzo dużej energii. 10

11 Rys. 14. Budowa detektora ATLAS (strona lewa) [13]. Detektor w czasie budowy strona prawa (zauważ człowieka stojącego wewnątrz konstrukcji) [15]; Detektor wewnętrzny (R=0,6m, l=7m) Pole (B=2T) równoległe do wiązki Detektor wewnętrzny Wiązka protonów i antyprotonów Kalorymetry (R=4m, l=12m) Spektrometr mionów (zewn. R=11m) 8 cewek nadprzewodzących magnesów toroidalnych Detektor końcowy Oś symetrii 11

12 Rys. 15. Przekrój przez połowę detektora ATLAS. Pokazano ważniejsze warstwy detektorów. Zasadnicze elementy detektora pokazano na rysunku 15. Czerwoną linią zaznaczono komorę próżniowa w której poruszają się igły protonów. Każda z warstw otacza cylindrycznie wiązkę i ma jeszcze swoją złożoną strukturę. Z tego powodu każdą z nich omówimy oddzielnie. Detektor Kalorymetry Spektrometr Wewnętrzny muonowy Rys. 16. zasięgi poszczególnych cząstkach w kolejnych warstwach detektora. Na rysunku 16 pokazano zasięg poszczególnych cząstek elementarnych stanowiących produkty zderzenia. Zwróćmy uwagę, że cząstki te o bardzo dużej energii są równocześnie promieniowaniem jonizującym. Fotony o bardzo dużej energii nie są rejestrowane w detektorze wewnętrznym lecz są całkowicie zatrzymywane w wewnętrznej warstwie kalorymetru zwanej kalorymetrem elektromagnetycznym. Elektrony jak wszystkie inne cząstki naładowane są rejestrowane na całej swej drodze i całkowicie absorbowane w kalorymetrze elektromagnetycznym. Hadrony (protony, neutrony i mezony π) są całkowicie absorbowane w zewnętrznej warstwie kalorymetrów zwanych kalorymetrami hadronowymi. 12

13 Jedynie miony przechodzą przez kalorymetry, lecz są identyfikowane w spektrometrze mionowym. 8. Detektor wewnętrzny Detektor wewnętrzny (rys. 17) otacza bezpośrednio rurę z wiązką protonów, jej zewnętrzny promień wynosi 1,2m a długość 7m. Zadaniem detektora wewnętrznego jest dokładne śledzenie torów cząstek naładowanych, przez detekcję skutków ich oddziaływania z materią czujników pomiarowych. Celem badania jest ich identyfikacja i pomiar pędów. Z tego powodu detektor znajduje się w bardzo silnym polu magnetycznym o natężeniu rzędu 2T (=20 000Gs) skierowanym równolegle do wiązki. Pole to jest wytwarzane przez solenoid nadprzewodzący, którego zwoje obejmują cały detektor wewnętrzny. W polu magnetycznym działa siła Lorentza i zakrzywia tory naładowanych cząstek w kierunku prostopadłym zarówno do indukcji magnetycznej jak i ich prędkości, czyli w płaszczyźnie prostopadłej do osi wiązki. Rys. 17. Wygląd zewnętrzny i budowa detektora wewnętrznego Najbardziej wewnętrzną warstwę detektora wewnętrznego stanowi potrójna warstwa detektorów komórkowych (pixel detektor) złożona z 1744 modułów o wymiarach 2 6 cm, z których każdy ma po pikseli i 16 chipów -wyjść odczytowych. Dane pomiarowe z tej jednej warstwy są zbierane przez 80 milionów kanałów pomiarowych co stanowi 50% wszystkich kanałów odczytowych całego detektora Atlas. Warstwę środkową tworzą cztery warstwy półprzewodnikowych detektorów taśmowych zbudowanych tak samo jak detektory komórkowe, lecz ich komórki mają większe wymiary 80 m 12,6cm. Razem sygnały z tej warstwy przejmuje 6,2 miliony kanałów pomiarowych. Warstwę zewnętrzną tworzą na przemian detektory słomkowe o średnicy 4mm i długości 144cm i detektory półprzewodnikowe. Łącznie jest detektorów słomkowych. 13

14 Celem detektora wewnętrznego jest jak najdokładniejsze wyznaczenie torów wszystkich produktów zderzenia protonów, ich identyfikacja i określenie pędów. Trzeba określić dokładnie również punkt początkowy każdej cząstki. Trzeba wykryć również grupy cząstek, które mają wspólny, lecz inny punkt początkowy (gwiazdkę) niż miejsce zderzenia. Istnienie takiego punktu dowodzi, że zaszedł rozpad wtórny jednej z cząstek pierwotnych powstających w zderzeniu protonów, na przykład kwarku dolnego. a b Rys. 18. Zasada wyznaczania torów cząstek. Rysunek a pokazuje sposób wyznaczania torów przez rejestrację cząstki w kolejnych warstwach detektora. Rysunek b tor cząstki wykreślony w oparciu o takie pomiary. 9. Kalorymetry [8] Zadaniem kalorymetrów jest wyznaczanie energii cząstek. Wprawdzie nazwa i przeznaczenie są zgodne z ich odpowiednikami stosowanymi w nauce o cieple i chemii, ale ich budowa i zasad działania jest zupełnie inna. Istnieją dwie warstwy kalorymetrów: Kalorymetr elektromagnetyczny tworzy warstwę wewnętrzną i jest przeznaczony do pomiaru energii cząstek oddziaływujących elektromagnetycznie, czyli elektronów, pozytonów i fotonów, Kalorymetr hadronów przeznaczony do pomiaru energii cząstek oddziaływujących silnie, czyli hadronów stanowi warstwę zewnętrzną. Badana cząstka musi oddać swą energię zamieniając ją najpierw na lawinę cząstek wtórnych a następnie na światło, którego energię trzeba zmierzyć. Obydwa typy kalorymetrów absorbują energię w metalach o dużej gęstości, ta energia zostaje zamieniona na światło i wykonuje się pomiar energii całkowitej powstającej lawiny cząstek. Kalorymetr elektomagnetyczny. Materiałem absorbującym są kryształy wolframianu ołowiu (PbWO 4 ), które są bardzo gęste, doskonale przezroczyste, a przebiegające przez nie elektrony i fotony powodują scyntylacje, czyli błyski światłą. Światło jest wytwarzane natychmiast, w krótkim czasie, w ilości proporcjonalnej do energii cząstki. Pojedynczy kryształ ma wymiary 2,2 2,2 14

15 23cm i waży 1,5kg. W całym kalorymetrze jest ich i ważą łącznie kg. Tworzy się bloki po 25 kryształów zwane superkryształem. Wszystkie kryształy tworzą 36 supermodułów po 1700 kryształów każdy 1. Elektrony i fotony przechodzące przez kryształ zderzają się z ciężkimi jądrami atomów wytwarzają lawinę elektronów pozytonów i fotonów, a same atomy ulegają wzbudzeniu. Wzbudzone atomy szybko wracają do stanu podstawowego emitując nadmiar energii w postaci fotonu niebieskiego światła. Światło to jest przekazywane do fotodetektorów. Fotodetektorem jest półprzewodnikowy krzem przyklejony do kryształu i umieszczony w silnym polu elektrycznym. Taki układ działa jak fotopowielacz. Elektron wyzwolony przez foton jest przyspieszany w polu, zderza się z następnym atomem i wyzwala nowy elektron i tak dalej. W ten sposób tworzy się lawina elektronów narastająca wykładniczo. Ta lawina daje silny prąd w bardzo krótkim czasie, który po wzmocnieniu i transformacji na sygnał cyfrowy jest wyprowadzany światłowodem i analizowany. Cały kalorymetr jest utrzymywany w temperaturze ciekłego helu, a wahania temperatury nie mogą przekroczyć 0,1 0 C. Kierunek ruchu cząstki jest określany z dokładnością do 0,025 radiana. Kalorymetr hadronowy. Zgodnie z nazwą zadaniem kalorymetru hydronowego jest pomiar energii hadronów, czyli protonów, neutronów i mezonów. Zasada działania jest podobna jak kalorymetru elektromagnetycznego, ale stosuje się inne materiały. Materiałem absorbującym jest stal i mosiądz. W materiale tym wyzwalają się cząstki wtórne i fotony, Za każdym blokiem absorbentu znajduje się scyntylator, wytwarzający impulsy światła w chwili przejścia cząstki. Światło to jest zbierane i przesyłane światłowodem do zestawów odczytowych, gdzie fotodetektory zamieniają je na sygnał elektryczny, wzmacniany, zamieniany na sygnał cyfrowy i przesyłany do układu pomiarowego składającego się z 400 dekoderów optycznych. Absorbent i materiał scyntylacyjny tworzą wiele kolejnych warstw otaczających szczelnie punkt zderzenia protonów tak, że każda cząstka - produkt rozpadu musi przez nie przejść i zostać zmierzona i zatrzymana. Wycinki kolejnych warstw tworzą wieżę w której mieści się tor jednej cząstki (lub kilku) i cała lawina tworzonych przez nią cząstek wtórnych. Ze względu na dużą średnicę, poszczególne elementy są łączone w 36 fragmentów, z których każdy waży kg. Kątowa zdolność rozdzielcza wynosi tylko 0,1 radiana, ale pamiętajmy, że tor cząstki jest śledzony już w najgłębszych warstwach detektorów. Cząstkami, które mają tak wielką energię, że przechodzą przez wszystkie omawiane dotąd warstwy detekcyjne i kalorymetry są miony, neutrina i być może inne nieznane dotąd cząstki. 10. Spektrometr mionów [9] Spektrometr mionów jest najbardziej zewnętrzną i najgrubszą warstwą o grubości prawie 7m. Tak olbrzymie rozmiary są niezbędne ponieważ służy on do pomiaru pędów mionów, które swobodnie przechodzą przez wszystkie warstwy detektora. Wykrycie i identyfikacja mionów jest konieczna, dla uzyskania pełnego bilansu energii w reakcji zderzenia protonów. Miony są cząstkami naładowanymi i ich pęd można wyznaczyć z 1 Kryształy te hodowano w Rosji i w Chinach. Czas wzrastania jednego kryształu wynosi 2-3 dni. 15

16 zakrzywienia toru w polu magnetycznym. Z tego powodu w obszarze spektrometru wytwarza się pole magnetyczne toroidalne za pomocą ośmiu olbrzymich cewek nadprzewodzących rozlokowanych w wzdłuż obwodu warstwy. Na fotografii 19 są wyraźnie widoczne zakończenia i część podłużna tych cewek. Tworzą one pole toroidalne, którego linie sił zamykają się obejmując swym zasięgiem w zasadzie tylko spektrometr nionów. Jest to więc pole o kierunku prostopadłym do kierunku pola wytwarzanego przez nadprzewodzący solenoid w objętości detektora wewnętrznego. Z zakrzywienia mionów wyznacza się ich pęd. W spektrometrze są stosowane różne typy detektorów półprzewodnikowych omawianych w części 3 o łącznej ilości około miliona kanałów odczytowych, a powierzchnia detektorów wynosi m 2 Rys. 16. Detektor ATLAS w czasie budowy z widocznymi ośmioma kriostatycznymi naczyniami do cewek nadprzewodzących. Cewki te wytwarzają pole toroidalne. Literatura: 1. Jarosław Chrostowski, Największy eksperyment, Wiedza i Życie nr 4, 2008, str Jan Królikowski, Jarosław Chrostowski, Akcelerator na miarę XXI wieku, Wiedza i Życie nr 4, 2008, str Graham P. Collins, Machina do odkryć, Świat Nauki nr. 4, 2008, str Jan Paweł Nassalski, Polska cząstka w LHC, Świat Nauki nr. 4, 2008, str Akademickie i szkolne podręczniki do fizyki Pixel detector Henryk Szydłowski, Pracownia fizyczna wspomagana komputerem, Wyd. nauk. PWN, Warszawa Kompleks akceleratorów Zdjęcia