Po co nam CERN? Po co nam LHC? Piotr Traczyk Sympozjum IPJ
Plan 1)Wstęp Po co nam LHC? 2)Eksperymenty w CERNie w których bierzemy udział COMPASS LHCb ALICE CMS 3)Podsumowanie 2
Po co nam LHC? Po co kopać 27km tunel, 100 metrów pod ziemią? Układać w tunelu nadprzewodzace magnesy pracujące w temp. 1,7 K i wytwarzające pole 8,33 T? Zużywać na działanie akceleratora 120 MW prądu? Rozpędzać wiązki protonów do prędkości 0,999999991 c? Zderzać protony z energią w środku masy 14 TeV? 3
Fizyka cząstek dziś Model Standardowy: oddziaływania elektrosłabe + QCD (silne); bez grawitacji Problemy: Brakująca ostatnia cegiełka - cząstka Higgsa Co z grawitacją/unifikacją? Problem hierarchii Skąd się bierze ciemna materia? Silne przesłanki za Nową Fizyką przy energii około 1 TeV w zasięgu LHC! 4
Fizyka cząstek jutro? Czego będziemy szukać w LHC: Oczywiście cząstki Higgsa Ale nie tylko! Co innego możemy zobaczyć: Supersymetria Dodatkowe wymiary Little Higgs Inne... Coś nieoczekiwanego? 5
Po co nam CERN? LHC ma szansę być kolejnym ważnym krokiem na drodze do zrozumienia struktury materii CERN międzynarodowe laboratorium zapewnia infrastrukturę i buduje akcelerator Koszt samego LHC około 3 GCHF (czyli mniej więcej tyle ile Polska zapłaci za eskadrę F-16...) 6
Badania w CERNie - udział IPJ Zgodnie z priorytetami dla polskiej fizyki oddziaływań elementarnych Program LHC w CERNie - jeden ze strategicznych kierunków badawczych polskiej fizyki oddziaływań elementarnych Progam SPS również wymieniany jako ważny Program LHC CMS, LHCb Program ciężkojonowy LHC ALICE, (CMS) Program SPS (eksperymenty na stałej tarczy) - COMPASS 7
Eksperyment NA58 (COMPASS) LHC COMPASS SPS 8
COMPASS - uczestnicy z grupy warszawskiej Fizycy zatrudnieni w IPJ: Krzysztof Kurek, Ewa Rondio, Jan Nassalski, Andrzej Sandacz, Wojciech Wiślicki Doktoranci IPJ: Rafał Gazda, Oleg Grajek, Konrad Klimaszewski IFD UW: 3 osoby, w tym 2 doktorantów Inst. Radioelektr. PW: 5 osób, w tym 3 doktorantów Polskie, pozastatutowe środki finansowe: SPUB (JN) do ~końca 2006r SPUB (JN) uzupełniający środki z UE (detektor protonów odrzutu) Nowe wystąpienia: SPUB (JN) na lata 2007-2010 Zagraniczne środki finansowe: 6-ty Program Ramowy UE: Hadron Physics; JRA5: GPD Generalised Parton Distributions na budowę prototypu detektora jąder odrzutu w COMPASSie; 3 lata 9
Eksperyment COMPASS ~ 250 fizyków 28 instytutów SM2 dipole RICH_1 SM1 dipole Spolaryzowana tarcza 6LiD μ Muon-filter2 ECAL1,HCAL1 ECAL2,HCAL2 wkład IPJ (SciFi) Muon-filter1 detektory śladowe: SciFi, Si, Micromegas, GEMs, MWPC, DC, straws kalorymetry:ecal1, HCAL1, ECAL2, HCAL2 identyfikacja cząstek: RICH-1,µ-wall1,µ-wall2 wiązka spolaryzowanych (~-76%) mionów o energii 160 GeV, bardzo wysoka świetlność ~ 5 1032 cm-2s-1 10
Prace grupy warszawskiej Sprzęt i infrastruktura: budowa, instalacja płaszczyzny z włókien scyntylacyjnych VO COMPASS na Gridzie, udostępnienie zasobów obliczeniowych Analiza danych i analiza fizyczna: ΔG/G: polaryzacja gluonów w nukleonach Polaryzacja kwarków o różnych zapachach Rola spinu w eksluzywnej produkcji ρ0 (1 doktorant) (1 doktorant) Spinowa funkcja struktury g1(x) dla małych x Alignment detektorów (3 doktorantów) (1 doktorant) (kolejno 3 doktorantów) 11
Budowa i implementacja stacji SciFi-Warsaw w eksperymencie COMPASS IPJ: Brzozowski, Gawor, Nawrot, Nassalski, Sandacz PW : Marzec, Zaremba, Ziembicki UW : Brona, Pawlukiewicz Działa, jest na wiązce od 2006 r. 12
Polaryzacja gluonów w nukleonie Porównanie bezpośrednich pomiarów z dopasowaniem QCD do funkcji struktury g1. Dane wskazują na małe wartości G/G w badanym zakresie x. 13
Podwójna asymetria spinowa w ekskluzywnej produkcji ρ0 wiodąca rola fizyków z zespołu IPJ: zaproponowanie tematu i pierwsza analiza A1ρ = σ 1/ 2 σ 3 / 2 σ 1/ 2 + σ 3 / 2 σ1/2 (σ3/2) przekrój czynny dla (anty)równoległego ustawienia spinów γ* i N tarczy γ * N ρ 0N γ * N ρ 0N Pierwsze pomiary dla małych x i Q2. Wynik COMPASSa na tarczy ze spolaryzowanym deuterem zgodny z 0 Dla małych x ( < 0.01 ) zgodne z mechanizmem dyfrakcyjnym. 14
Przyszly program COMPASS-a z udziałem grupy warszawskiej Pomiary uogólnionych rozkładów partonów - GPD Nowy, kompletny opis partonowej struktury nukleonu standardowe rozkłady partonów (wyznaczane w DIS) oraz formfaktory nukleonu (wyznaczane w rozpr. elastycznym) jako przypadki szczególne Dostęp do GPDs poprzez reakcje ekskluzywne μ N μ N γ, π, ρ, φ ~ ~ 4 funkcje GPD: H, H, E, E ( x, ξ, t ) Umożliwią m.in.: Tomografię nukleonów korelacje między rozkładami przestrzennymi i pędowymi partonów Dostęp do orbitalnego momentu pędu kwarków nieznany dotąd wkład do spinu nukleonu 15
Modyfikacje układu doświadczalnego dla programu GPD Detektor protonów odrzutu Poszerzenie akceptacji detekcji fotonów (EMCal: 10 30 ) 2.5 metrowa tarcza LH2 (LD2) 16
Specjalny eksperyment do badania fizyki B przy LHC 619 naukowców Mont Blanc 47 instytutów 15 krajów Warszawa (IPJ) : Genewa Jezioro A.Chłopik, Z.Guzik, A.Nawrot, LHCb A.Średnicki, K.Syryczyński, M.Szczekowski Lotnisko CERN ATLAS CMS ALICE Finansowanie pozastatutowe: SPUB (M.Sz.), PBS (M.Sz.) 17
Eksperyment LHCb Specjalny eksperyment dla badania łamania parzystości CP i poszukiwania Nowej Fizyki w rzadkich rozpadach cząstek pięknych przy akceleratorze LHC w CERN częstość produkcji przypadków- z bb: 100 khz 1012 cząstek pięknych produkowanych w ciągu roku Akceptacja: 10-300mrad (w poziomie) 10-250mrad (w pionie) Identyfikacja cząstek: Detektory RICH Kalorymetry Detektor mionów Detektor promieniowania Czerenkowa (RICH2) Detektor mionów Krzemowy detektor wierzchołka Kalorymetr elektromagnetyczny i hadronowy Magnes dipolowy Śladowy Detektor Zewnętrzny (WARSZAWA) Detektor promieniowania Czerenkowa (RICH1) 18
Instalacja detektorów dobiega końca Detektor Mionów Magnes dipolowy Wiązka Kalorymetry RICH 2 RICH 1 Detektory śladowe: - Zewnętrzny (WARSZAWA) - Wewnętrzny 19
Detektor Zewnętrzny Budowa w Warszawie 130 modułów (1/3 całości) dryfowych komór słomkowych ( ok. 14 000 2.5 m słomek, ok. 45 000 lutowań ) Moduły zainstalowane w CERNie 20
RASNIK system precyzyjnego monitorowania odkształceń Detektora Zewnętrznego System zaprojektowany i wykonany w Warszawie, w trakcie instalacji w CERNie: - 50 linii pomiarowych - dokładność ~ 1 µm soczewki Kamery CCD Pierwsze wyniki z czterech linii RASNIKa pokazują odkształcenia ram detektora rzędu kilkudziesięciu mikronów 21
Moduł elektroniki Readout Supervisor Dyryguje systemem zbierania danych (DAQ) w eksperymencie LHCb, wszystkie potrzebne funkcje zebrane w jednym module: Synchronizacja czasowa detektorów Przekazywanie sygnałów zegara Obróbka i przekaz sygnałów trygera Generator autotrygera dla testów Kontroler trygera Interface do Systemu Kontroli Eksperymentu Credit Card PC Zaprojektowany i przetestowany w Warszawie we współpracy z CERN. Kilkanaście modułów RS pracuje w różnych detektorach eksperymentu LHCb 22
W LHC będą zderzane nie tylko protony... Zderzenia ciężkich jonów - w poszukiwaniu plazmy kwarkowo-gluonowej. Próba odtworzenia warunków tuż po Wielkim Wybuchu. 23
Eksperyment ALICE A.Deloff, T.Dobrowolski, I.Ilkiv, H.Liu *, K.Karpio, P.Kurashvili, H.Malinowski, M. Malek, T.Marszal, K.Redlich, T.Siemiarczuk, G. Stefanek, L.Tykarski, O.Utyuzh, G. Wilk ALICE 24
Kalorymetr elektromagnetyczny PHOS Zadania fizyczne kalorymetru PHOS: Pojedyncze fotony bezpośrednie informacja o warunkach początkowych PHOS (PHOton Spectrometer) bardzo precyzyjny kalorymetr elektromagnetyczny zbudowany w oparciu o kryształy PbWO. Pary fotonów bezpośrednich informacje o początkowym stadium zderzenia I inne... 25
Gotowy moduł PHOS Wkład grupy warszawskiej: ~1000 kryształów Elektronika Udział w montażu i testach Rachunki symulacyjne i modelowe Finansowanie pozastatutowe: Granty KBN, Fundacja Współpracy Polsko-Niemieckiej 26
Rozdzielczość detektora Testy na wiązce PS w CERNie π + 12C π0 + X 2γ + X σ(π0)=4.7 MeV σ(π0)=8.4 MeV 27
Eksperyment CMS LHCb ATLAS CMS ALICE Eksperyment ogólnego przeznaczenia, jeden z dwóch (drugi - ATLAS) 28
Warszawska Grupa CMS UW Karol Buńkowski, Wojciech Dominik, Krzysztof Doroba, Tomasz Fruboes, Artur Kalinowski, Jan Królikowski, Marcin Konecki, Maciej Ignacy Kudła, Wojciech Okliński, Paweł Zych IPJ Michał Bluj, Ryszard Gokieli, Łukasz Gościło, Maciej Górski, Piotr Traczyk, Grzegorz Wrochna, Piotr Zalewski PW Krzysztof Poźniak, Wojciech Zabołotny Pozastatutowe środki finansowe: SPUB MG, Granty UW Grant promotorski PT 29
Detektor CMS 30
System wyzwalania Częstotliwość zderzeń protonów w LHC to 40 Mhz Zapisać dane można z częstotliwością około 100 Hz Trzeba wybrać interesujące przypadki system wyzwalania µ Decyzja podejmowana co 25ns Elektronika trygera mionowego opartego o komory RPC projektowana i częściowo wykonana przez grupę warszawską µ 31
Promieniowanie kosmiczne w CMS Testy detektora przed opuszczeniem pod ziemię (lato 2006) Uruchomienie magnesu Rejestracja mionów kosmicznych w różnych poddetektorach ślad mionu 32
Przygotowanie do analiz fizycznych (na razie tylko symulacje) Wyznaczanie parzystości CP cząstki Higgsa Poprzez badanie rozkładów kątowych produktów rozpadu Poszukiwanie wyższych wymiarów Wzbudzone grawitony o masach rzędu TeV pojawiają się w teoriach z dodatkowymi wymiarami Sygnał Tło 33
Przygotowanie do analiz fizycznych (2) (na razie tylko symulacje) Sygnał Tło System mionowy jako detektor czasu przelotu foton celujący foton niecelujący Poszukiwanie supersymetrii egzotyczne sygnatury w modelach GMSB Długożyciowe ciężkie cząstki naładowane, widoczne w systemie mionowym jako spóźnione miony Fotony nie celujące do wierzchołka oddziaływania, pochodzące z rozpadu neutralnych cząstek długożyciowych. Identyfikacja niecelujących fotonów na podstawie kształtu depozytu w kalorymetrze 34
Podsumowanie Aktywny udział IPJ w bardzo szerokim programie badań prowadzonych w CERNie Ciągły rozwój eksperymentów już działających Perspektywy nowych odkryć po uruchomieniu LHC Podziękowania: H. Białkowska, A. Sandacz, T. Siemiarczuk, M. Szczekowski 35