Matematicko-fyzikální fakulta UK v projektu ATLAS-CERN

Matematicko-fyzikální fakulta UK v projektu ATLAS-CERN Tomáš Davídek, Jiří Dolejší, Zdeněk Doležal, Rupert Leitner, Michal Suk Univerzita Karlova v Praze, Matematicko-fyzikální fakulta,ústav částicové a jaderné fyziky Fyzika částic dosáhla takového stupně zralosti, kdy umí popsat a vysvětlit drtivou většinu experimentálně pozorovaných jevů. Teoretickým rámcem je standardní model obsahující teorii elektroslabých interakcí a kvantovou chromodynamiku popisující silné interakce. Standardní model však obsahuje některé nedostatečně známé parametry a předpovídá nové částice dosud nepozorované (např. Higgsův boson). Standardní model zřejmě není finální teorií. Existují jeho krajně zajímavá rozšíření, z nichž některá vedou k předpovědím testovatelným blízko za hranicemi dnešních experimentálních možností (například supersymetrické teorie). Je potřeba dosáhnout energií vyšších, než byly dosažitelné dosud, a dosáhnout co nejvyššího počtu srážek, aby bylo možné hledat i velmi řídké procesy. Proto již bylo postaveno několik obřích urychlovačů vstřícných svazků, např. TEVAT- RON ve Fermiho národní laboratoři v USA, HERA v DESY v Hamburku. V Evropské laboratoři pro fyziku částic CERN se v současné době staví urychlovač LHC (Large Hadron Collider), ve kterém bude docházet ke srážkám proton proton při celkové energii 14 TeV. Urychlovač je postupně instalován v podzemním tunelu (ve kterém byl dříve umístěn urychlovač LEP) s obvodem 27 km. Tunel je zhruba 100 m pod zemským povrchem a protíná několik velkých podzemních hal, v nichž se instalují obří detektory (ATLAS, CMS, ALICE, LHC-b). Ve vakuových trubicích urychlovače budou kolovat shluky protonů vzdálené 25 ns (resp. 7,5 m) a čelně se srážet uvnitř detektorů. Při každé takové srážce dvou shluků protonů dojde průměrně k 23 jednotlivým pp srážkám, z nichž vylétnou stovky sekundárních částic. Úkolem detektorů je tyto spousty sekundárních částic spočítat, identifikovat a změřit jejich hybnosti a energie. Vzhledem k různému způsobu registrace rozličných částic se detektor skládá z několika vrstev různých subdetektorů. Důležitým požadavkem je hermetičnost detektoru (co nejúplněji obklopovat místo srážky), velká granularita (jemná struktura umožňující dosáhnout velkého prostorového rozlišení) a rychlá odezva k získání dobrého časového rozlišení. Detektor ATLAS [1], [2], [3] v CERN (A Toroidal LHC ApparatuS = toroidální zařízení na urychlovači LHC) je tvořen řadou subdetektorů, viz obr. 1: Nejblíže bodu srážky je vnitřní detektor, v němž se s velkou přesností měří souřadnice drah nabitých částic. Měření hybností částic v něm umožňuje magnetické pole supravodivého solenoidu. Další dvě vrstvy tvoří elektromagnetický kalorimetr určující energii elektronů a fotonů a hadronový kalorimetr, Obr. 1 ATLAS a jeho subdetektory 1

absorbující hadrony (silně interagující částice) a měřící jejich energii. Poslední vrstvu detektoru tvoří mionový spektrometr, používající toroidálního magnetického pole obřích supravodivých cívek k přesnému měření hybností mionů. Detektor je konstruován jako univerzální zařízení, vzhledem k požadované přesnosti a vysoké energii registrovaných částic jsou jeho rozměry velmi velké délka 44 m, výška 25 m, celková hmotnost 7000 tun. Během experimentů bude detektor zdrojem ohromného toku informací srážky shluků nastávají každých 25 ns, frekvence proton-protonových srážek je zhruba 1 GHz. Redukci množství dat a filtrování zajímavých srážek z méně zajímavého pozadí provádí systém výběru trigger, pracující na několika úrovních a využívající část informací posbíraných dalším složitým systémem DAQ ze subdetektorů. Jen malá část zajímavých událostí (s frekvencí cca 200 Hz, 1 MB dat na událost) bude ukládána k pozdějšímu zpracování a fyzikální analýze. I tak bude datový tok z detektoru obrovský 200 MB/s, 2 PB za rok. Objektově orientované programové vybavení bude provádět rekonstrukci změřených interakcí a s jeho pomocí se získají fyzikální výsledky experimentu. Bude také zajišťovat modelování procesů probíhajících v detektoru, které je nezbytné pro přípravu detektoru, jeho detailnímu zvládnutí, korekcím získaných dat na různé nedokonalosti detektoru a k určování pozadí studovaných procesů. Kromě vyjmenovaných součástí detektoru je potřeba celá řada pomocných systémů elektronická a elektrická zařízení, vzduchotechnika, chlazení, stínění proti neutronům, fotonům a nežádoucím částicím apod. Fyzikové, inženýři, studenti a technici Matematicko-fyzikální fakulty UK se podílejí ve spolupráci s pracovníky Fyzikálního ústavu AVČR a ČVUT na návrhu, konstrukci, výstavbě, testování a kalibraci několika subdetektorů systému ATLAS. Podívejme se na tento vklad podrobněji: Vnitřní detektor Vnitřní detektor [4] (označovaný také jako dráhový detektor tracker ) je nejblíže místu srážky protonů a vzniku velkého množství částic. Magnetické pole s indukcí B = 2 T, vytvářené supravodivým solenoidem, v něm zakřivuje dráhy nabitých částic poloměr dráhy částice s hybností p a nábojem q je r = p/qb. Ze znalosti poloměru lze hybnost částice a znaménko jejího náboje určit. Právě to je hlavním úkolem vnitřního detektoru. Dalším úkolem je rekonstrukce drah částic a vrcholu (místa srážky svazkových protonů). Kromě těchto primárních vrcholů bude vnitřní detektor určovat i sekundární vrcholy místa následného rozpadu krátce žijících částic. Základním parametrem vnitřního detektoru je prostorové rozlišení. Pro spolehlivé měření hybností částic s energií stovky GeV je nutné, aby vnitřní detektor určil souřadnice alespoň 6 bodů s přesností asi 20 µm. Této přesnosti je dosaženo použitím velmi jemně segmentovaných polovodičových detektorů. Vnitřní detektor se skládá ze 3 částí: křemíkových pixelových detektorů s celkem 140 milióny kanálů, křemíkových stripových detektorů (SCT Semiconductor Tracker) se šesti milióny kanálů a detektorů přechodového záření (TRT Transition Radiation Tracker) se 400 tisíci kanály. Každá část je tvořena několika souosými válci umístěnými okolo urychlovačové trubice. Válce jsou na obou stranách uzavřeny disky, viz obr. 2. Pixelové detektory jsou tvořeny křemíkovými destičkami rozdělenými na detekční segmenty (pixely) o rozměrech 50 400 µm 2. Signál z každého segmentu je samostatně Obr. 2: Schéma vnitřního detektoru zpracováván a vyhodnocován. Takto dosahují 2

pixelové detektory vynikajícího rozlišení ve všech 3 souřadnicích. Stripové detektory, umístěné dále od svazku, mají detekční segmenty ve tvaru proužků (stripů) o délce 12 cm a rozteči 80 µm, proto určují jen 2 přesné souřadnice (Rφ a R pro barel). Stripy jednotlivých stran detekčního modulu jsou vůči sobě pootočené a tak lze méně přesně určit i třetí souřadnici. Celková plocha křemíkových detektorů je přes 60 m 2. Třetím detekčním celkem vnitřního detektoru je detektor přechodového záření (TRT). Zde je místo křemíku použit levnější plynový detektor. Jde o soustavu xenonem plněných trubiček o průměru 4 mm obklopených materiálem, v němž letící částice generují přechodové záření (je to buď systém cca 20 µm polypropylénových fólií nebo výplň z tenkých polyetylénových vláken). Xenon v trubičkách převádí fotony přechodového záření na elektrický signál a ten se pak sbírá na centrální elektrodě. Rozdílné prahy přechodového záření pro různé částice umožňují identifikace druhu prolétávající částice. TRT měří ve spojitém režimu, a tak poskytne na dráze částice průměrně 40 bodů s přesností okolo 170 µm. Obr. 3 ukazuje, jak by měl vnitřní detektor zaznamenat jeden z rozpadů Higgsova bosonu. b Obr. 3 Rekonstrukce rozpadu Higgsova bosonu H-> bb ve vnitřním detektoru Na návrhu a výrobě pixelového detektoru se podílejí kolegové z Fyzikálního ústavu AV ČR. Stripové detektory jsou vyvíjeny, vyráběny a instalovány za účasti fyziků, inženýrů a techniků z FZÚ AV ČR, ČVUT a Matematicko-fyzikální fakulty UK. V dalším textu se budeme proto věnovat podrobnějšímu popisu SCT. Základním prvkem SCT je detekční modul (viz obr. 4). Po obou stranách jsou přesně nalepeny 2 detektory o rozměrech 6 6 cm 2. Stripy detektorů jsou uprostřed vodivě propojeny drátky o tloušťce 25 µm a tak na každé straně vzniká 768 aktivních detekčních elementů délky 12 cm. Na okraji je připojen elektronický hybrid s 12 vyhodnocovacími čipy a obvody pro rozvod signálů, nízkého a vysokého na- Obr. 4 Stripový detekční modul pětí a konektory pro spojení s další elektronikou. Signály z detekčních stripů jsou snímány v rytmu srážek každých 25 ns a b ± 3

porovnávány s nastavenou diskriminační úrovní. Informace o zásahu stripu se pak skladuje v posuvném registru po dobu dalších 256 srážek (6 µs), a v případě, že trigger vyhodnotil tuto srážku jako zajímavou, jsou data odeslána po optických vláknech. Protože v LHC se budou srážet protonové svazky dosud nevídané intenzity, bude zejména vnitřní detektor vystaven velkým dávkám záření. Všechny části musí být proto vyrobeny radiačně odolnými technologiemi. Tato odolnost byla mnohokrát prověřena, každá součástka byla ozářena tokem 3 10 14 protonů/cm 2 (očekávaná dávka po 10 letech provozu). Detekční schopnosti modulů před ozářením i po něm byly ověřovány pomocí svazků vysokoenergetických částic v KEK a v CERNu ([6], [7]). Obr. 5 ukazuje nejdůležitější charakteristiky detekčních modulů: účinnost a šum v závislosti na diskriminační úrovni pro ozářený modul SCT. Podmínka plynoucí z fyzikálních požadavků je, aby účinnost detekce neklesla pod 99% a současně pravděpodobnost šumu jednoho stripu nepřesáhla 5 10-4. Tato podmínka je u neozářeného modulu bez problémů splněna pro široký rozsah diskriminačních úrovní. Ozáření však výrazně zvyšuje šum polovodičového detektoru (hlavně kvůli silně zvýšenému zpětnému proudu) a zhoršuje účinnost sběru náboje (a tudíž i účinnost detekce). Z grafu na je patrné, že pracovní oblast po ozáření se zužuje, pořád ale lze nastavit práh tak, aby byly splněny obě podmínky. MFF se na vývoji SCT podílí od roku 1997, a 0.9 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 Corrected threshold (fc) Obr. 5 Závislost detekční účinnosti a šumu ozářeného stripového detekčního modulu na nastavené diskriminační úrovni. to zejména na vývoji detekčního modulu a hybridu, na testovacích ozářeních v CERNu a jejich analýze. Některé speciální testy byly vyvinuty a prováděny v Praze (testování pomocí radioaktivního zářiče a fokusovaného laserového paprsku). SCT je v současnosti ve fázi dokončování výroby detekčních modulů a jejich montáže na podpůrné struktury [8]. Asi 20% modulů pro přední a zadní disky prochází také pražskými laboratořemi (MFF a ČVUT), neboť se zde provádějí kalibrace a dlouhodobé testy stability. Na MFF byla pro tyto účely vybudována laboratoř vysoké čistoty (viz obr. 6) a instalovány systémy chlazení, napájení, vysoušení, sběru dat, atd. Z. Doležal byl zodpovědný za definici, přípravu a koordinaci procesu zajišťování kvality (testování) modulů, a nyní řídí sériovou výrobu středoevropské skupiny, která vyrábí 30% všech diskových modulů. Efficiency 1 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 0.94 0.93 0.92 0.91 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 Noise Occupancy Obr: 6 Čistá laboratoř MFF UK, kde se provádějí testy stripových detekčních modulů. 4

Hadronový kalorimetr TILECAL Již zmíněnou střední vrstvou detektoru ATLAS je hadronový kalorimetr TileCal [5]. Jeho hlavním úkolem je měření energie a směru jetů (skupin částic letících v úzkém kuželu) vzniklých hadronizací kvarků a gluonů. Důležitým úkolem kalorimetrického systému je i měření chybějící příčné energie nerovnováha rozdělení energie, resp. hybnosti, v příčné rovině indikuje vyslání nějaké neinteragující neutrální částice, nejčastěji neutrina, a směr jejího letu. Vedle jetů kalorimetr registruje i jednotlivé částice. Kalorimetr je heterogenního typu (viz. obr. 7) je složen z ocelových absorpčních desek střídavě tloušťky 4 resp. 5 mm proložených destičkami plastického scintilátoru tloušťky 3 mm [9]. Právě tyto scintilační destičky ( tiles ) daly kalorimetru jméno. V kalorimetru dochází k silným interakcím hadronů převážně s jádry absorbátoru (Fe), kdy v procesu mnohonásobné produkce vznikají další hadrony, které mohou opět interagovat. Tímto způsobem se vytváří sprška částic, jejichž energie postupně klesá, až dojde k jejich úplnému pohlcení. Nabité částice při průchodu scintilátorem produkují světelné záblesky, jejichž celková intenzita je úměrná energii primární částice, která do kalorimetru vstoupila. Světelný signál ze scintilátorů se pomocí optických vláken posunujících vlnovou délku světla vede na fotonásobiče, které přeměňují světelné signály na elektrické. Vlákna mění modrofialové světlo vysílané scintilátory na žlutozelené, na které je fotokatoda fotonásobiče nejcitlivější. Převyzáření světla ve vlákně na hraně scintilující destičky je podstatné pro přenos světla k fotonásobiči. Signál z fotonásobiče je dále tvarován ve speciálním elektrickém obvodu a jeho průběh je poté digitalizován pomocí speciálních analogově-digitálních převodníků synchronně s frekvencí srážek, tj. každých 25 ns. Kalorimetr TILECAL se skládá ze dvou vnějších válců (délky 2,91 m) a jednoho centrálního válce (o délce 5,64 m) s vnitřním poloměrem 2,28 m a vnějším poloměrem 4,23 m, celková hmotnost je 2900 tun. Každý válec je složen ze 64 segmentů (modulů), ty jsou rozděleny na jednotlivé buňky, z nichž je signál čten vždy dvěma fotonásobiči. Rozdělení na buňky je přibližně projektivní při pohledu z místa interakce, v radiálním směru je kalorimetr rozdělen na tři vrstvy buněk. Prostorová síť buněk Obr. 7 Schéma modulu kalorimetru dovoluje energetickou rekonstrukci případů a triggerování. Celkový počet kanálů je 10 000. Schopnost kalorimetru plnit svou roli pohltit jety a jednotlivé hadrony, resp. hadronové spršky jimi indukované charakterizuje jeho hloubka v interakčních délkách λ (střední volná dráha hadronu pro silnou interakci v daném prostředí). Pohlcení protonu s energií 100 GeV vyžaduje hloubku přibližně 7λ. Potřebná hloubka se jen pomalu mění s energií, např. pro energii 500 GeV je to 8λ. Hloubka soustavy elektromagnetického kalorimetru a kalorimetru TileCal v experimentu Atlas je minimálně 9λ, což odpovídá požadavkům na měření částic z očekávaných fyzikálních procesů. Další důležitou charakteristikou kalorimetru je jeho energetické rozlišení určující přesnost měření energie. Rozlišení kalorimetru se s rostoucí energií zlepšuje. Rozlišení se zpravidla udává ve tvaru σ(e)/e = ((A/E1/2)2 + (B/E)2 + (C)2), kde energie E je měřena v GeV a A, B a C jsou 5

konstanty charakterizující kvalitu kalorimetru. První člen souvisí s fluktuacemi hadronových spršek, druhý člen popisuje šum v detektoru. Třetí člen popisuje efekty spojené s případnými nepřesnostmi v kalibraci a nedostatečnou hloubkou kalorimetru. Pro měření fyzikálních procesů detektorem ATLAS s požadovanou přesností je nutné, aby rozlišení kalorimetru TILECAL bylo σ(e)/e ((50%/E 1/2 ) 2 + (3%) 2 ). V roce 1993 začaly zkušební testy modulů kalorimetru TILECAL. Nejprve byly ozařovány prototypy modulů, později již moduly, které byly určeny pro montáž. Ozáření probíhala ve svazcích sekundárních částic (elektronů, mionů a hadronů) se známou energií z urychlovače SPS v CERN ([10] [12]). Cílem těchto experimentů bylo provést kalibraci kalorimetru a změřit jeho důležité parametry (uniformita, linearita, energetické rozlišení) v závislosti na energii, směru a druhu částic. Získaná data současně posloužila k dalším metodickým studiím (např. způsoby rekonstrukce energie, profil hadronové spršky ([14], [16]), rozdíly v odezvě pionů a protonů atd.) a určení dalších parametrů, např. světelného výtěžku či časového rozlišení. V těchto testech byly též zkoušeny a prověřovány jednotlivé komponenty kalorimetru (optické a elektronické) a systém sběru dat. Dále byly provedeny experimenty ve svazcích částic s kombinací modulů elektromagnetického (LAr) a hadronového (TILECAL) kalorimetru. Výsledky těchto testů ([13], [15]) ukázaly, že jednotlivé části i celý systém fungují dobře a spolehlivě. Údaje ze všech svazkových experimentů byly zpracovávány systémem programů, který byl též postupně vyvíjen a upravován. Některé výsledky jsou zobrazeny na následujících obrázcích: obr.8 znázorňuje spektrum odezvy kalorimetru TILECAL na piony s energií 100 GeV (střední hodnota gaussovského spektra energie je posunuta směrem k nižším hodnotám, protože kalorimetr je kalibrován pomocí elektronů a jeho odezva na hadrony je obecně nižší je tzv. nekompenzovaný), obr. 9 pak ukazuje závislost energetického rozlišení na energii, které je lepší než výše uvedený požadavek pro TILECAL. σ/e (%) Obr. 8 Spektrum odezvy kalorimetru na piony s energií 100 GeV. Obr. 9 Energetické rozlišení kalorimetru jako funkce energie. Jen v letech 2000-2003 bylo na testovacích svazcích nabráno přes 200 milionů případů interakcí v kalorimetru TILECAL. Jedno kalibrační ozáření představovalo typicky 14 dnů nepřetržitého měření, v uvedeném období jich proběhlo celkem 12. V roce 2003 byly všechny moduly kalorimetru (2 64 vnějšího válce a 64 centrálního válce) dokončeny, otestovány a postupně byly v montážní hale v CERN sestaveny do celku tak, jak mají být instalovány v podzemní experimentální hale. Vzhledem k hmotnosti (jeden modul centrálního válce má hmotnost 22 tun) to byl technicky velmi náročný úkol. Odchylky od ideálního cylindrického tvaru představovaly řádově jednotky mm a byly v mezích montážních tolerancí. 6

V průběhu roku 2004 byly pak jednotlivé moduly centrálního válce postupně spouštěny do podzemní experimentální haly (viz. obr. 10) a tam byly, po instalaci kryostatu s elektromagnetickým kalorimetrem, sestaveny do definitivní podoby jako součást detektoru ATLAS. Sestavený kalorimetr v podzemní experimentální hale na konci roku 2004 je zobrazen na obr. 11. Obr. 10 Spouštění prvních modulů kalorimetru do podzemní experimentální haly Obr. 11 Sestavený kalorimetr TILECAL v podzemní hale experimentu ATLAS. Pracovníci Ústavu částicové a jaderné fyziky MFF UK se podíleli a podílejí na návrhu, výstavbě, testování a kalibraci kalorimetru TILECAL společně s kolegy z FZÚ AV ČR. Ocelové absorbátory byly vyrobeny v českých podnicích a jejich kvalita byla měřena pracovníky fakulty, směšovače světla pro fotonásobiče byly vyrobeny v optické dílně MFF, fyzikové se zúčastňovali testů kalorimetru a zpracování dat z těchto testů. Technici se podíleli na montážních pracích. Jako ocenění iniciativy a aktivního podílu na výstavbě kalorimetru byl R. Leitner zvolen mluvčím projektu TILECAL v CERN (dvě funkční období), T. Davídek byl jmenován vedoucím pracovní skupiny analýzy dat z testovacích ozáření. Fyzika, aneb co se bude pomocí ATLASu studovat Parametry urychlovače LHC i detektoru ATLAS otevírají novou oblast výzkumu, umožní upřesnit současný teoretický popis jevů v mikrosvětě, umožní extrapolace a odhady toho, co může být za tímto rámcem. Bude možné upřesnit například vlastnosti top kvarku, podrobně studovat narušení CP invariance v procesech, kterých se účastní b kvark, hledat signály vnitřní struktury částic dnes považovaných za elementární. Mohou být též objeveny předpovídané ale dosud neprokázané částice a procesy. Jedná se hlavně o Higgsův boson hrající důležitou roli v teoretických modelech vysvětlujících hmotnosti částic, hledání dosud nepozorovaných supersymetrických částic, velmi těžkých partnerů intermediálních bosonů W a Z, těžkých neutrin a další. Ještě před tím, než LHC začne urychlovat protony a ATLAS měřit parametry částic vyletujících z jejich srážek, je potřeba naladit činnost celého detektoru, připravit trigrovací systém (ten, který vybírá zajímavé události a zapomíná ostatní) a nástroje fyzikální analýzy dat. K tomu slouží postupně budovaný, neustále modifikovaný a vylepšovaný systém simulačních programů, který postupně přechází do objektové podoby (prostředí ATHENA). Vlastní srážky byly a jsou zatím většinou simulovány programem PYTHIA [22], chování detektoru je simulováno různými 7

verzemi programu GEANT [23]. Vedle skutečné simulace detektoru se pro mnohé studie jednotlivých fyzikálních procesů používá rychlá simulace, ve které je vliv detektoru aproximován parametrizovaným rozostřením výsledků simulace na úrovni částic. Všechny tyto simulace a analýzy samozřejmě vyžadují adekvátní počítačové vybavení a síťovou infrastrukturu. CERN a spolupracující laboratoře se připravují na obrovské toky dat a nemenší nároky na off-line analýzu nabraných dat. Připravovaným řešením jsou farmy cenově přístupných počítačů, pospojované rychlými sítěmi a obhospodařované operačními systémy, které dovolí efektivní distribuci úloh mezi jednotlivými farmami na evropské či světové škále klíčové slovo zní grid [24]. Ve Fyzikálním ústavu AV ČR bylo vybudováno Regionální výpočetní středisko, které dnes zpracovává data z experimentu D0 ve Fermiho národní laboratoři (USA), modeluje srážky a připravuje se na zpracování reálných dat z LHC v budoucnu. Zmíníme se o některých studiích, na kterých se podílejí pracovníci MFF UK, mnohdy ve spolupráci s kolegy z Fyzikálního ústavu AV ČR. B-fyzika na detektoru ATLAS Pro studium procesů, ve kterých se účastní kvark b, bude na urychlovači LHC speciální detektor LHCb [25]. I detektor ATLAS, díky své univerzální konstrukci, dokáže v některých aspektech B-fyziky poskytnout cenné výsledky srovnatelné s LHCb: fyzikální program experimentu ATLAS zahrnuje měření CP narušení v rozpadech mezonů obsahujících b-kvark, dále oscilací těchto mezonů ( přeměna částice v antičástici a naopak) a relativních četností jejich rozpadových kanálů, přičemž důležitým bodem je hledání řídce se vyskytujících typů rozpadů. Vzhledem k velké luminositě LHC a účinnému průřezu pro produkci b-kvarků poskytnou měření na LHC mnohem vyšší statistiku než byla dosud dostupná. To je důležité především při detekci velmi vzácných typů rozpadů (s relativní pravděpodobností rozpadu do těchto kanálů od 10-6 až do 10-9 ), které jsou v současných experimentech nepozorovatelné nebo se vyskytují v četnostech pouze několika případů za rok. Vlastnosti těchto rozpadů, jako například předozadní asymetrie, se v některých rozšířeních standardního modelu výrazně liší a experimentální data tak mohou některé teoretické modely vyloučit. Na MFF UK studujeme detekci rozpadů nejlehčího baryonu obsahujícího b-kvark: Λ 0 b Λ 0 µ + µ -. Doba života hadronů s b-kvarkem je velmi krátká, rozpadají se řádově několik stovek mikrometrů až několik milimetrů od místa svého zrodu. Pomocí vnitřního detektoru musí být možno takovéto druhotné rozpadové vrcholy změřit. Uvedené procesy se proto simulují a zpětně rekonstruují. To dovoluje připravovat a ladit analýzu skutečných dat a také připravovat adekvátní trigger. Vnitřní struktura kvarků Podle současných znalostí se kvark chová jako bodová částice, není ale vyloučeno že při vyšších energiích se projeví jeho vnitřní struktura, podobně jako se to kdysi stalo u protonu (který se právě z kvarků skládá). Vnitřní struktura kvarků by se mohla projevit odchylkou od standardního spektra energií produkovaných jetů v oblasti nejvyšších energií, viz obr. 12. Vedle nadstandardních simulací (do programů je třeba fyziku za rámcem standardního modelu přidat) je ke studiu substruktury kvarků nezbytné vyřešit spolehlivou a přesnou kalibraci kalorimetru a opravit jeho případné nelineární chování. d dp T QCD / d dp T 10 2 10 Quark compositeness in pp collision L =5TeV L =10TeV L =20TeV 1 Standard QCD 3 10 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 E T (jet) (MeV) L =40TeV Obr. 12 Odchylky od standardní modelu (kvarky bez struktury vodorovná černá čára). Jednotlivé barevné čáry odpovídají různým parametrům modelu vnitřní struktury kvarku. 8

Nejen srážky protonů Urychlovač LHC bude vedle protonů schopen urychlovat těžké ionty a tak dovolí studovat srážky jader olova při celkové energii 5,5 TeV/nukleon. To s velkou pravděpodobností přinese obrovské množství nových a možná překvapivých poznatků, neboť existující teoretické modely nedovolují příliš spolehlivou extrapolaci od současně dostupných energií 200 GeV/nukleon na RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider, Brookhavenská Národní Laboratoř, USA) [26]. Na LHC bude sice speciálním experimentem pro fyziku těžkých iontů ALICE [27], ale některé vlastnosti těžkoiontových srážek budou lépe měřitelné v ATLASu, například produkce jetů a jejich ovlivnění v prostředí expandující horké jaderné hmoty vzniklé srážkou, velmi pravděpodobné kvarkgluonové plazmy [28]. V této oblasti pracujeme na optimalizaci algoritmů pro hledání jetů na pozadí částic 35 pocházejících ze srážky těžkých 30 iontů, viz obr. 13. To, že vstoupíme do neprobádané oblasti, 25 20 ilustruje například teoretická 15 nejistota i v tak jednoduchém 10 parametru, jako je celkový počet 5 produkovaných částic odhady 0 oscilují mezi 20 a 50 tisíci částic 6 5 v PbPb srážce. Energy (GeV) phi Obr. 13 Součet energie z elektromagnetického a hadronového kalorimetru ATLASu pro simulovanou srážku dvou olověných jader při 5,5 TeV/nukleon s jasně viditelným jetem. 4 3 2 1 0-3 -2-1 0 1 2 3 eta ATLAS jako součást kultury ATLAS je impozantní a také finančně náročný projekt (přes 500 MCHF), přesahující evropská měřítka. Podílí se na něm 1800 fyziků a mnoho dalších techniků, inženýrů a studentů z více než 150 univerzit a ústavů ze všech světadílů kromě Antarktidy. Je to projekt základního výzkumu, od kterého očekáváme nové poznatky o mikrosvětě a který může mít mnoho pozitivních vedlejších vlivů. Přirozeně se vynořují otázky, jaký smysl má investovat takové prostředky a úsilí do projektu, který neslibuje skoro žádné praktické výstupy. Tyto otázky nejsou nové a existuje na ně mnoho odpovědí, viz např. webové stránky CERN pro veřejnost [29]. C.H. Llewellyn Smith, bývalý generální ředitel CERN, spatřuje čtvero přínosů [30]: příspěvek ke kultuře, možnost objevů mimořádné ekonomické a praktické důležitosti, vedlejší efekty a stimulace průmyslu, vzdělání. V tomto časopise snad můžeme vynechat obecné argumenty o tom, že věda patří do kultury, a tyto kategorie přínosů budeme jen konkrétně ilustrovat. Nejpřirozenějším přínosem špičkové vědy na univerzitě je její integrace do vzdělávání. Mnohý student střední školy slyšel o CERNu a o ATLASu poprvé na některé z našich přednášek (viz např. [31]), či od svého kantora fyziky, kterého se nám podařilo ovlivnit, například tak, že jsme ho odvezli na exkurzi do CERN. Mohl nás potkat na dnu otevřených dveří MFF UK, nebo naše blízké kolegy z FZÚ na dnech vědy AV ČR. Některým to možná pomohlo ve volbě oboru studia. Studenti na naši fakultě se pak velmi přirozeně dostávají k volbě diplomové práce 9

s tématem přímo souvisejícím s ATLASem ([17] [20], vyjedou do CERNu a zanedlouho se stanou produktivními kolegy, často pokračujícími v doktorském studiu ([21]). Ještě širší skupiny obyvatelstva se mohou seznámit s částicovou fyzikou prostřednictvím pořadů v médiích, např. filmů [32], [33], webových stránek a novinových článků, jejichž vznik se snažíme, opět ve skvělé spolupráci s kolegy z FZÚ AV ČR, podporovat. Ve všech těchto popularizačních akcích figuruje jako zdánlivě samozřejmý podtext efektivní mezinárodní spolupráce, komplikované, ale velmi průhledné opatřování finančních prostředků (prostředky na ATLAS se slévají z příspěvků grantových agentur jednotlivých států, jednotlivé skupiny se o jejich získání musejí starat a použití prostředků obhajovat). Právě široká mezinárodní spolupráce v experimentálních kolektivech částicové fyziky a potřeba efektivní komunikace stála u zrodu WWW v CERNu v roce 1989. Vynález webu byl asi nejlepší ilustrací objevu mimořádné ekonomické a praktické důležitosti, kterým se částicová komunita může chlubit. Když se vrátíme z oblak zpět na zem a do našich českých poměrů, pak uvidíme, že opravdu funguje jistá stimulace průmyslu, např. zakázky pro ATLAS naučily několik českých podniků vstupovat do mezinárodní soutěže. Obstály, mnohé komponenty ATLASU (ocel a zdroje napětí pro elektroniku v TILECALu a vnitřním detektoru, část senzorů pro vnitřní detektor, stínění ) dodaly české podniky za přispění českých vědeckých pracovišť. Část finančních prostředků investovaných do vědy se tak obloukem do ČR vrátila, i když jde o naprosto nepraktickou a dnes asi neaplikovatelnou vědu. Závěr Na projektu ATLAS se na MFF UK podíleli a podílejí fyzikové, technici a studenti Z. Broklová, J. Brož, T. Davídek, J. Dolejší, Z. Doležal, P. Kodyš, P. Křivková, P. Kubík, M. Kučera, R. Leitner, J. Palacký, P. Řezníček, K. Soustružník, M. Suk, P. Tas, Z. Trka, Š. Valkár, V. Vorobel, J. Walter, I. Wilhelm, M. Zdražil. Jsou spoluautory více než 15 publikací v mezinárodních časopisech. Po spuštění urychlovače LHC (plánováno v roce 2007) bude experiment ATLAS hlavním zdrojem experimentálních dat o srážkách protonů s protony při nejvyšších energiích dostupných na urychlovačích. Analýza a interpretace těchto dat bude předmětem špičkového výzkumu ve fyzice částic nejméně do roku 2020. Účast v experimentu ATLAS znamená zajištění dlouhodobé perspektivy subjaderné fyziky na MFF UK. Literatura k ATLASu: Citované publikace a mnoho dalších informací najdete na webových stránkách ATLASu http://cern.ch/atlas, na stránkách ÚČJF http://www-ucjf.troja.mff.cuni.cz. Populární materiály najdete na stránce http://www-hep2.fzu.cz/~rames/outreach/castice.html Základní dokumenty ATLASu: [1] D. Gingrich, et al.: ATLAS Letter of Intent for a General-Purpose pp Experiment at the Large Hadron Collider at CERN, CERN/LHCC/92-4, LHCC/I2, 1992. [2] W.W. Armstrong, et al.: ATLAS Technical Proposal for a General/Purpose pp Experiment at the Large Hadron Collider at CERN, CERN/LHCC/94/43, LHCC/P2, 1994, ISBN 92-9083-067-0. [3] A. Airapetian, et al.: ATLAS Detector and Physics Performance I, II, Technical Design Report, CERN/LHCC/99-14 a 15, 1999, ISBN 92-9083-141-3 a ISBN 92-9083-142-1 a citace tam uvedené. 10

[4] A. Airapetian, et al.: ATLAS Inner Detector I, II. Technical Design Report, CERN/LHCC/97-16 a17, 1997, ISBN 92-9083-102-2 a ISBN 92-9083-103-0 [5] E. Berger, et al.: ATLAS Tile Calorimeter Technical Design Report, CERN/LHCC/96-42, 1996, ISBN 92-9083-091-3. Výsledky získané při budování a testování jednotlivých komponent ATLASu. [6] Y. Unno et al., Beamtest of Nonirradiated and Irradiated ATLAS SCT Microstrip Modules at KEK, IEEE Transactions on Nuclear Science, 49 (2002) 1868 [7] F. Campabadal et al., Beam tests of ATLAS SCT silicon strip detector modules, Nucl. Instrum. Meth., v tisku [8] Z. Doležal, The ATLAS SemiConductor Tracker: status of construction and system integration, Nucl. Phys. B, v tisku [9] F. Ariztizabal, et al.: Construction and performance of an iron scintillator hadron calorimeter with longitudinal tile configuration. Nucl. Instr. Met. A 349 (1994) 384-397. [10] E. Berger, et al. (RD 34 Collaboration): A measurement of the energy loss spectrum of 150 GeV muons in iron. Z. Phys. C 73 (1997) 455-463. [11] Z. Ajaltouni, et al.: Response of the ATLAS Tile calorimeter prototype to muons. Nucl. Instr. Met. A 388 (1997) 67-78. [12] P. Amaral, et al.: The ATLAS TileCal Collaboration: A precise measurement of 180 GeV muon energy losses in iron. Eur. Phys. J. 20 (2001) 487-495. [13] Z. Ajaltouni, et al.: ATLAS Collaboration (Calorimetry and Data Acquisition): Results of the combined test of an electromagnetic liquid argon calorimeter with hadronic scintillatingtile calorimeter. Nucl. Instr. Met. A 387 (1997) 333-351. [14] P. Amaral, et al.: Hadronic shower development in iron scintillator Tile calorimetry. Nucl. Instr. Met. A 443 (2000) 51-70. [15] S. Akhmadaliev, et al. ATLAS Collaboration (Calorimetry and Data Acquisition): Results from a New Combined Test of an Electromagnetic Liquid Argon Calorimeter with a Hadronic Scintillating-Tile Calorimeter. Nucl. Inst. Met A 449 (2000) 461-477. [16] S. Akhmadaliev, et al.: Hadron energy reconstruction for the ATLAS calorimetry in the framework of the non parametrical method. Nucl. Instr. Met. A 480 (2002) 506-521. Diplomové a doktorské práce dostupné na www: [17] Z. Broklová: Vyhodnocení účinnosti a kvality polovodičových stripových detektorů pro detektor ATLAS (LHC CERN), diplomová práce, obor učitelství, MFF UK 2003, http://www-ucjf.troja.mff.cuni.cz/diploma_theses/broklova_dipl.pdf [18] Z. Broklová: Simulations of ATLAS silicon strip detektor modules in ATHENA framework, diplomová práce, MFF UK 2004, http://www-ucjf.troja.mff.cuni.cz/~broklova/diplomka_2004.pdf [19] P. Řezníček: Tests of semiconductor microstrip detectors of ATLAS detector, diplomová práce, MFF UK 2003, http://www-ucjf.troja.mff.cuni.cz/diploma_theses/reznicek_dipl.pdf [20] K. Soustružník: Possibilities of hadronic calorimeter utilisation for parton compositeness measurement at the ATLAS experiment, diplomová práce MFF UK 1996 http://www-ucjf.troja.mff.cuni.cz/~soustruznik/d.ps.gz [21] T. Davídek: Jet Energy Measurement and Muon Response in the ATLAS Barrel Calorimeters, doktorská práce, MFF UK 2000, http://www-ucjf.troja.mff.cuni.cz/~davidek/thesis.ps Další odkazy: [22] http://www.thep.lu.se/~torbjorn/pythia.html, T. Sjöstrand et al.: Computer Phys. Commun. 135 (2001) 238 11

[23] http://wwwasd.web.cern.ch/wwwasd/geant/, CERN Program Library Long Writeup W5013 [24] http://lcg.web.cern.ch/lcg/ [25] http://lhcb.web.cern.ch/lhcb/ [26] http://www.bnl.gov/rhic/ [27] http://alice.web.cern.ch/alice/ [28] ATLAS Collaboration: Heavy Ion Physics with the ATLAS Detektor. CERN/LHCC/2004-009, 2004 [29] webové stránky www.cern.ch About CERN Is particle research useful? [30] webové stránky www.cern.ch, About CERN What is CERN? The use of basic science [31] http:// www-ucjf.troja.mff.cuni.cz/dolejsi/outreach/cern50.htm [32] film Experiment ATLAS, http://darbujan.fzu.cz/~masik/video/atlas-s.rm nebo http://atlasexperiment.org/movie/index.html [33] televizní film Sestup do jeskyně gigantů, Česká televize Popularis a HERAFILM science media,, www.popularis.cz nebo http://ipnp00.troja.mff.cuni.cz/dolejsi/outreach/atlas/jeskyne_gigantu.avi 12