CERN to ogromne mikroskopy i superszybkie fotokomórki

Jak wyjaśnił kierownik grupy warszawskich naukowców, uczestniczących w budowie i wykorzystaniu jednego z detektorów, prof. Jan Królikowski z Uniwersytetu Warszawskiego, detektory są w istocie największymi mikroskopami, jakie kiedykolwiek zbudowali ludzie.

Z tym, że mikroskop używa światła po to, żeby ono przeszło przez próbkę i trafiło do jakiegoś urządzenia, które jest czułe na światło, np. do kliszy fotograficznej. W naszym przypadku próbką są zderzające się cząstki elementarne. Są one jak gdyby jednocześnie światłem i próbką. W takim zderzeniu powstaje zazwyczaj bardzo wiele innych cząstek, które rozlatują się do różnych elementów detektora i właśnie ślady ich przejścia przez detektor są naszą fotografią. Fotografia ta jest na dodatek robiona niesłychanie szybko. Np. w LHC zderzenia cząstek następują 40 milionów razy na sekundę - tłumaczył Królikowski.

Jak mówił profesor, nazwa detektora, w którego budowie od początku uczestniczył - (CMS Compact Muon Solenoid) (ang. Zwarty Solenoid Mionowy) - wskazuje na główne zadanie, jakie ten detektor będzie spełniał. Jego priorytetem będzie możliwie najdokładniejsze zarejestrowanie torów lotu i pędów pojawiających się po zderzeniu mionów, choć detektor zapewni też doskonały pomiar innych cząstek jak elektronów, mezonów pi czy K, kwantów gamma itp. Właśnie zaobserwowanie mionów, zachowujących się w określony sposób, będzie świadczyło o powstaniu ciekawego, być może nieznanego do tej pory zjawiska.

Naukowiec wyjaśnił, że z 40 mln zderzeń na sekundę ekipa CMS będzie mogła zapisać od 100 do 200 zderzeń na sekundę. Dlatego zaprojektowano urządzenie, które wykrywa "sygnaturę" ciekawego zdarzenia, np. miony lecące pod dużym kątem od linii, w której biegną zderzające się wiązki protonów. Wielozadaniowe urządzenie nosi nazwę "tryger" (ang. trigger - cyngiel, spust, układ wyzwalania) i jedna z jego ważnych części składowych - tryger na miony - została zbudowana przez polskich fizyków. Jego zadaniem jest przekazanie do komputerów informacji, że właśnie nastąpiło zderzenie, które warto zbadać, i że informację sprzed ułamka sekundy trzeba zapisać na dysku i zachować do późniejszej analizy.

To taka fotokomórka, tylko działająca 40 mln razy na sekundę; bardzo szybka fotokomórka. Zespół warszawski będzie się zajmował doprowadzaniem do perfekcji tego urządzenia. Będziemy również analizować dane zebrane w detektorze razem z kolegami z całego międzynarodowego zespołu- powiedział Królikowski. Mimo zastosowania trygera, aby odpowiedzieć na niektóre pytania, np. na pytanie czy istnieje cząstka Higgsa, trzeba będzie zbierać dane przez ok. trzy lata.

Jak podkreślił Królikowski, szacuje się, że przez ten czas detektor zarejestruje prawdopodobnie zaledwie kilkanaście przypadków powstania cząstki Higgsa. Dlatego tak ważna jest precyzja zapisywania wyników.

Zderzające się w akceleratorze LHC protony to obiekty dosyć puste w środku. Większość ze zderzeń wygląda tak, że protony, jak przelatujące blisko siebie kule, po prostu się trochę potrącają, nieco zmieniają kierunek, wyprodukuje się jedna czy dwie inne cząstki. To dla nas nie jest ciekawe. Wyobraźmy sobie, że proton to kulisty balonik z odrobiną groszku w środku. Ten groszek to są kwarki. Najczęściej następują niezbyt interesujące zderzenia powłok baloników. Zderzamy te duże kule, ale tak naprawdę interesuje nas zderzenie tego groszku w środku. Zderzenia dwóch kwarków zdarzają się niezwykle rzadko. Jeżeli jednak one już następują, to na ogół w ich wyniku produkuje się to co chcemy, czyli dużo różnych nowych obiektów. Chcemy wybrać to, co jest potencjalnym kandydatem na coś ciekawego w fizyce. Jednym z wyznaczników, jedną z sygnatur takiego twardego zderzenia, jest mion lub pary mionów wylatujących z miejsca zderzenia pod dużym kątem i z dużym pędem, elektron lub kilka elektronów, elektron i mion albo jet,
czyli strumień cząstek lecący pod dużym kątem. Podzespoły trygera muszą umieć wykrywać takie sygnatury- tłumaczył fizyk.

Po zaobserwowaniu takiego zjawiska i zapisaniu danych z tej obserwacji, następuje szczegółowa analiza. Mierzenie wszystkich kierunków, wszystkich wektorów pędu, wszystkich energii, tworzenie z tego różnych wielkości fizycznych takich jak masy układów cząstek, pozwolą nam odkryć, z czym naprawdę mieliśmy do czynienia. Ale kluczowym problemem jest wyłowienie tych niezwykle rzadkich przypadków twardych zderzeń- powiedział naukowiec.

Chociaż detektor CMS ma rejestrować pęd i tor lotu mionów, które są milion razy mniejsze od atomu, to sam jest bardzo okazałym narzędziem badawczym. Podobnie jak drugi z detektorów ogólnego przeznaczenia, który będzie wykorzystywany w CERN - ATLAS. Ma on rozmiar sześciopiętrowej kamienicy.

Skrót ATLAS rozszyfrowuje się - A Toroidal LHC AparatuS (ang. Toroidalna Aparatura Przy LHC). Jak wyjaśnił biorący udział w eksperymencie z udziałem ATLAS-a prof. Piotr Malecki, będzie on - podobnie jak CMS - nastawiony na potwierdzenie istnienia nieznanych dotąd cząstek. Wygląda jak leżący walec o średnicy ok. 26 m i długości ok. 45 m. Waży ok. 7 tys. ton. Elektroniczny odczyt wszystkich detektorów to ok 100 milionów kanałów. Budowa ATLAS-a zajęła blisko dwadzieścia lat. Spodziewamy się, że będzie on zbierał dane podobnie długo i karmił nimi wiele roczników młodych fizyków - część z nich właśnie kończy przedszkole - podkreślił Malecki.

Jak tłumaczył naukowiec, nie stanie się to od razu, ponieważ może się zdarzyć, że tylko jedno na miliard zderzeń będzie naprawdę interesujące. Dlatego twórcy LHC postarali się, aby dochodziło do 40 mln zderzeń na sekundę. Z tych milionów musimy odrzucić większość i zachować (zapisać na dyskach) nie więcej niż ok. 100 na sekundę. Nie muszę dodawać, że przy tej selekcji musimy być ostrożni i pewni, że nie wylewamy dziecka z kąpielą - zaznaczył.

M.in. dlatego naukowcy tak bardzo liczą na obserwację mionów. Detekcja mionów jest stosunkowo łatwa. Tak jak inne cząstki naładowane, jonizują one materię na trasie swojego przelotu, a w detektorach, które nazywamy "śladowymi", lokalizujemy powstałe ładunki i rekonstruujemy trajektorie. Miony są bardzo cennymi "świadkami" (mówimy często: sygnaturami) bardzo rzadko występujących oddziaływań, a równocześnie właśnie tych, które są celem naszych badań - wyjaśnił Malecki.