Detektory pro LHC: ATLAS and CMS

1
Detektory pro LHC ATLAS and CMS
Howard Gordon, Brookhaven National Laboratory,
Jirí Dolejší, Charles University Prague
Fyzici prošli dlouhou cestu od urychlovacu
poslepovaných pecetním voskem jako byl první
cyklotron, který vynalezl a postavil za asi 25
Ernest Lawrence v roce 1930, k obrovským
urychlovacum v cene okolo 1 G skrytých v
podzemních tunelech jako je budovaný LHC v CERN
...
Replika of Lawrenceova cyklotronu v CERNském
Microcosmu
2
CERN Large Hadron Collider, plánované spuštení
2008
3
Spolupráce generací CERNských urychlovacu
4
Proc vlastne fyzikové staví taková obrovská a
drahá zarízení?
... Protože je pred námi stále mnoho
nezodpovezených otázek, jako napríklad
Kde je ocekávaný Higgsuv boson?
Existují predpovezené supersymetrické cástice?
Existují ony extra dimenze predpovídané
nekterými teoretiky?
Co dává cásticím jejich hmotu?
Docela jednoduchá otázka také muže znít Je
príroda zcela popsána soucasným standardním
modelem? Není potreba nic dalšího? Težko mužeme
odpovedet, že ano! Nové urychlovace a
experimenty jsou tak obrovské a drahé, aby
umožnily pruzkum nových oblastí energie a studium
extrémne vzácných procesu ? jestliže se nám
dodnes nezdarilo neco zpozorovat, meli bychom si
vytvorit šanci to uvidet zítra. LHC se postará o
urychlení cástic, ale jejich interakce
potrebujeme studovat ? potrebujeme vhodné
detektory. Pojdme se na ne podívat.
5
Tady je jeden z nich
A Toroidal LHC ApparatuS
ATLAS
22 m
44 m
6
A tady druhý
Compact Muon Spectrometer
CMS
15 m
22 m
7
Proc jsou detektory pro LHC tak veliké???
Musí se vyporádat se všemi cásticemi vylétajícími
ze srážky urychlených protonu.
Protony ve skutecnosti nejsou jen dva jako na
animaci, ale je jich spousta, usporádaných do
shluku
2808 shluku v každém svazku, 1,151011 protonu v
každém shluku, odstup shluku 25 ns což odpovídá
vzdálenosti 7.5 m (místo nekterých shluku jsou
jen mezery)
8
Každý stret dvou shluku znamená prumerne 23
proton-protonových srážek. Strední pocet cástic,
které se narodí ve všech techto srážkách, je
zhruba 1500. Detektor by mel zachytit co
nejvíce z nich.

• Na místo srážky dohlíží
• detektor.
• Nekteré cástice práve prchly
• z oblasti srážky, další srážka
• bezprostredne hrozí.
• Detektor by mel
• zachytit co nejvíce cástic
• být presný
• být rychlý (a laciný a ...)

Bohužel jsem líný kreslit 1011 protonu v každém
shluku ...
Každý proton nese energii 7 TeV, takže každý
shluk s 1011 protony nese energii 101171012 eV
71023 eV 112 kJ. To je makroskopická
energie !!! Takovou energii by melo auto s
hmotností 1200 kg pri rychlosti 50 km/h!
9
Skutecný detektor by nemel mít žádné díry a mel
by letícím cásticím vystavovat dostatecne tlustou
vrstvu materiálu, aby je zachytil. (to chce
rozumet procesum, které se dejí pri pruchodu
cástic látkou).
Bod srážky je sledován detektorem, v této
ilustraci spousta cástic detekci uniká.
Bod srážky obklopený vrstvami ruzných
(sub)detektoru.
10
Podívejme se na interakci ruzných cástic se
stejnou energií (zde 300 GeV) ve velkém bloku
železa
1m
Elektron s vysokou energií vyzaruje fotony,
které se konvertují na elektron-pozitronové páry,
které zase vyzarují fotony, které ... To je
elektromagnetická sprška.
elektron
Miony s vysokou energií prevážne jen ionizují
mion
pion (nebo jiný hadron)
Elektrony and piony se svými potomky jsou skoro
úplne pohlceny v dosta- tecne velkém železném
bloku..
Pion se sráží s jádrem železa, a v této silné
interakci se rodí nekolik nových cástic, které
opet interagují s dalšími jádry železa, rodí
další nové cástice ... To je hadronová sprška. Z
rozpadu hadronu také obcas vylétají miony.
11
Stránky pro experty! Mužete je preskocit, ale co
to zkusit ?
Pokuste se odpovedet na následující otázky Jak
asi interagují vysokoenergetické fotony? A jak
asi neutrální piony, které se rozpadají velmi
rychle na dva fotony (jejich strední doba života
je jen 810-17 s, ct 25 nm)? Možná byste mohli
pomyslet na elektromagnetické spršky ... Abychom
trochu hloubeji pochopili elektromagnetické a
hadronové spršky, je užitecné si vzpomenout na
exponenciálne klesající pravde- podobnost, že
cástice prežije let do hloubky t terce bez
interakce nebo bez absorpce (podívejte se do
kapitoly Experiment v cásticové fyzice) kde
jsme zavedli interakcní délku t. Tato velicina
urcuje strední vzdálenost mezi srážkami hadronu
s jádry materiálu a tak urcuje, kde hadronová
sprška pravdepodobne zacne a jak rychle se bude
vyvíjet. Radiacní délka X má podobný význam pri
rozvoji elektromagnetické spršky urcuje strední
dráhu elektronu do vyzárení fotonu a také strední
dráhu fotonu pred konverzí na elektron-pozitronový
pár. Podívejte se na konkrétní hodnoty pro
nekolik materiálu
Materiál Radiacní délka X Jaderná interakcní délka t
voda 36,1 cm 83,6 cm
železo 1,76 cm 16,9 cm
olovo 0,56 cm 17,1 cm
12
Prehled konstrukce soucasných detektoru slibující
zachycení témer všech cástic
Magnetické pole zahýbá dráhy cástic a pomáhá
merit jejich hybnosti.
elektron
Hadronový kalorimetr nabízí svuj materiál pro
rozvoj hadronových spršek a merí energii, kterou
v nem cástice zanechají.
mion
Neutrina utíkají nezpozorována.
hadrony
Vnitrní dráhový detektor Minimum materiálu,
jemná seg- mentace aby bylo možné merit presne
body na drahách cástic.
Mionový detektor nepokouší se miony zachytit,
ale zazname- nává jejich dráhy.
Electromagnetický kalorimetr nabízí materiál
pro rozvoj elektromagnetických spršek a merí
absorbovanou energii.
13
Všechny detektory obalují trubku se svazky cástic
a místem srážky Vlevo je hodne schematický a
vpravo trochu méne schématický rez ATLASem.
Elektromagnetický kalorimetr
Vnitrní dráhový detektor
Mionový detektor
Hadronový kalorimetr
14
ATLAS a CMS užívají tytéž principy, ale liší se v
realizaci.
ATLAS CMS
Vnitrní dráhový detektor Kremíkové pixely, Kremíkové stripy, detektor využívající prechodové zárení, magnetické pole 2T. Kremíkové pixely, Kremíkové stripy. magnetické pole 4T.
Elektromagne-tický kalorimetr Olovené desky v roli absorbátoru a tekutý argon jako aktivní médium Krystaly PbWO4 jako absorbátory a soucasne scintilátory
Hadronový kalorimetr Železný absorbátor s plasto-vými scintilujícími dlaždicemi v centrální oblasti, medený a wolframový absorbátor s te-kutým argonem blízko svazku. Absorbátor z nerezové oceli a medi s plastovými scintilátory jako detektory
Mionový detektor Velký toroidální magnet s mionovými komorami tvorí vnejší cást celého ATLASu. Miony mereny už v centrál-ním poli, další mionové ko-mory vloženy do železa tvorícího magnetické jho.
15
Takže proc jsou detektory pro LHC tak obrovské???
Je tu mnoho naléhavých otázek
Cesta do neznáma - k vyšším energiím
LHC, 77 TeV
Výzva teoretických predpovedí
Zvedavost probádat neprobádané
Je treba zachytit a analyzovat mnoho velmi
ener- getických cástic
ATLAS a CMS v jejich komplexnosti
16
Jka z detektoru získat data?
Detektory budou zaznamenávat srážky protoných
shluku každých 25 ns, tj. s frekvencí 40 MHz.
Celkem 23 pp srážek pri každém potkání shluku
znamená frekvenci pp srážek skoro 1 GHz. Nekolik
GHz je frekvence soucasných procesoru, takže jak
bude možné sbírat a obrábet data z takového
obrovského detektoru???
Je dobré si uvedomit, že nové shluky cástic
prilétají do oblasti srážky rychlostí svetla,
ale signály z detektoru se v kabelech pohybují
vždycky pomaleji. Takže mužeme ocekávat, že data
z detektoru se budou uvnitr hromadit a že
detektor dríve ci pozdeji exploduje. Skoro každý
student zná ze semináru ci prednášek pocit, že
jeho hlava hrozí explozí.
Chmurný osud ATLASu po získání prvních dat?
Rešení je docela lidské soustredit se na
nejzajímavejší události a zapomenout na všechny
ostatní. Tento postup zajištuje tzv. trigrovací
systém. Trigger plánovaný pro ATLAS má tri úrovne
a v techto trech krocích redukuje puvodní
frekvenci pp srážek na konecných zhruba 100 200
událostí (pp srážek) každou sekundu, které jsou
uschovávány. Z jedné události je asi 1 MB dat.
17
Co delat s takovou hromadou dat?
Objem dat velmi rychle poroste více než 100 MB
za sekundu, okolo 10 TB za den, 1 PB (1015 B) za
rok. To se dá preložit na pocet bežných médií
ATLAS by pro uschování získaných dat potreboval
vypálit CD každých 7 s, tedy tisíc CD za den,
více než milion za rok... Jak by se hledala jedna
konkrétní zajímavá událost v této
hromade? Pocítacová kapacita potrebná k
analýze této spousty dat presahuje vše, co je
dnes dostupné. Skupiny pripravující experimenty
na LHC aktivne spolupracují ve vývoji nových
pocítacových nástroju pro budoucí potreby.
Rešením jsou distribuované pocítacové kapacity a
klícové slovo je grid - sít. Toto slovo má
analogický smysl jako napr. rozvodná sít
distribuované požadavky na výpocetní kapacitu
nebo data budou uspokojovány hierarchickou
strukturou výpocetních center, viz obrázek na
další stránce.
Mužete namítat, že naše odhady jsou dosti hrubé.
Pocítali jsme s tím, že rok má 107 sekund místo
skoro správných p107 sekund. Ocekává se ale,
že experiment nepobeží a nebude nabírat data
úplne celý rok.
18
(No Transcript)
19
Jak tyto velké kolektivy kolem experimentu
pracují? Kdo to financuje?
Kolaborace ATLAS cítá okolo 1850 fyziku a
inženýru ze 175 ústavu v 34 zemích. CMS má
podobný seznam úcastníku, casto ze stejných zemí,
který se neprekrývá s ATLASem.
Každý ústav má odpovednost za specifikované
cásti, formalizované v dokumentech Memorandum of
Understanding. Financní podporu poskytují
grantové agentury jednotli-vých úcastnických zemí.
20
(No Transcript)
21
Oby tyto experimenty mají dobre definovanou
demokratickou struk-turu pro rízení všech
záležitostí. Každý subdetektor prochází dobre
dokumentovaným procesem
formulace požadavku
Review
príprava podrob-ných technických specifikací
nalezení a na-smlouvání dodavatelu
Review
Review
Review
instalace
výroba prototypu všech cástí
testování
schválení
Review
Review
výroba
použití
22
Kolektivy fyziku a techniku se setkávají na
poradách a reší otáz-ky spojené s návrhem a
stavbou detektoru. Porady se konají kde-koli po
svete, casto ale jen po telefonu nebo jako
videokonfe-rence, nejcasteji však v CERNu.
23
Rozhodnutí a technické para-metry jsou
dokumentovány v Technical Design Reports,
všechny dokumenty a výkresy jsou dostupné na WWW,
který byl vynalezen v CERNu.
The NEXT cube, pocítac, na kterém bežel první WWW
server, v expozici Microcosm a Tim Berners-Lee,
který spolecne s Ro- bertem Cailliau vynalezli
WWW.
24
Jak vypadala stavba ATLASu?
Prumyslové spolecnosti z celého sveta vyrábely
soucásti detektoru. Tyto soucásti byly skládány a
testovány v jednotlivých spolupracujících
ústavech. Konecná instalace probíhala v CERNu za
úcasti spolupracujícíh týmu.
Kryostat pro elektromagnetický kalorimetr
používající tekutý argon.
Hadronový kalorimetr sestavovaný v podzemní
jeskyni experimentu ATLAS
Toroidální magnety mionového systému
25
A co dnes?
ATLAS je sestaven a jeho funkce se ladí pomocí
cástic kosmického zárení pronikajících do jeho
jeskyne, nebot spouštení urychlovace LHC je po
závažné poruše prerušeno do dubna 2009.
Pohled do skoro zcela zaplnené jeskyne ATLAS
Pohled do kontrolní místnosti ATLAS
26
Pokracování príšte tohle jsou cástice ze srážek
prvního svazku v LHC zaznamenané ATLASem.