Experiment ALICE na LHC v CERN: Štúdium silno interagujúcej hmoty v extrémnych podmienkach

V 80. rokoch 20. storočia začali fyzici skúmať možnosť urýchlenia nielen protónov, ale aj atómových jadier na vysoké energie. Zrážky vysokoenergetických atómových jadier potom použili pri hľadaní evidencie nového stavu hmoty – kvarkovo-gluónovej plazmy, ktorej existenciu a niektoré vlastnosti boli teoreticky predpovedané.

Projekt Experiment ALICE na LHC v CERN: Štúdium silno interagujúcej hmoty v extrémnych podmienkach (ALICE experiment at the CERN LHC: The study of strongly interacting matter under extreme conditions) sa zaoberá štúdiom silno interagujúcej hmoty pri extrémnych podmienkach v zrážkach p-p, p-Pb a Pb-Pb pri energiách urýchľovača LHC v CERN-e. Nosným programom experimentu ALICE je štúdium vlastností kvarkovo-gluónovej plazmy.

Podrobnosti ohľadom projektu priblížil RNDr. Ivan Králik, CSc. z Ústavu experimentálnej fyziky SAV, zodpovedný riešiteľ za slovenskú stranu.

S. CIGÁŇOVÁ: O čo v tomto projekte ide?

I. KRÁLIK: V CERN-e sa v 80. rokoch minulého storočia podarilo urýchliť ióny kyslíka ¹⁶O a síry ³²S na vtedy najvyššiu možnú energiu, ale experimenty dôkaz hľadaného nového stavu hmoty nepriniesli. Prelom nastal až v druhej polovici 90. rokov 20. storočia, keď sa podarilo urýchliť jadrá olova ²⁰⁸Pb. Nepriame dôkazy pozorovania nového stavu hmoty v laboratórnych podmienkach boli zverejnené CERN-om 10. 2. 2000. Medzi tieto dôkazy patrili aj výsledky experimentov WA97 a NA57, kde aktívne participovali aj Ústav experimentálnej fyziky SAV a Prírodovedecká fakulta Univerzity P. J. Šafárika v Košiciach.

V tom istom roku bol v USA spustený urýchľovač RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) poskytujúci ~10x vyššie energie zrážky jadier zlata ¹⁹⁷Au. To dovolilo nielen ukázať existenciu kvarkovo-gluónovej plazmy, ale aj začať študovať jej vlastnosti.

Keď sa pripravovala stavba nového urýchľovača v CERN-e, súčasťou plánovaného experimentálneho programu bolo aj pokračovanie v štúdiu kvarkovo-gluónovej plazmy v podmienkach blízkych tým, aké panovali vo vesmíre asi 1μs po Veľkom tresku. Pre účely takéhoto výskumu bol na urýchľovači LHC (Large Hadron Collider) postavený dedikovaný experiment ALICE (A Large Ion Collider Experiment), do stavby ktorého prispeli aj slovenské akademické pracoviská ÚEF SAV Košice, FMFI UK Bratislava, PF UPJŠ Košice a neskôr sa pridala aj TUKE Košice. Experiment ALICE je optimalizovaný na štúdium procesov silnej interakcie prebiehajúcich na „veľkých vzdialenostiach“ (v porovnaní s rozmerom protónu) a štúdium jadrovej hmoty v extrémnych podmienkach (teplota, hustota energie).

S. C.: Aké sú ciele projektu?

I. KRÁLIK: Hlavným cieľom projektu je štúdium jadrovej hmoty v extrémnych podmienkach dosahovaných v zrážkach protónov a jadier olova pri energii zrážky v ťažiskovej sústave 13 TeV pre p-p a 5.02 TeV pre Pb-Pb. (Pre ilustráciu, 1 TeV predstavuje kinetickú energiu letiaceho komára.)

V takýchto podmienkach jadrová hmota prechádza do stavu kvarkovo-gluónovej plazmy, ktorej vlastnosti nám dovolia hlbšie pochopiť také javy, ako je napr. uväznenie kvarkov v hadrónoch (nemožnosť pozorovať v prírode voľné kvarky). Náš výskumný tím sa zameriava na štúdium vlastností kvarkovo-gluónovej plazmy na základe analýzy produkcie podivných častíc a korelácií medzi časticami emitovanými pri zrážke.

Súčasťou projektu je okrem riešenia fyzikálnych problémov aj zapojenie sa do plánovanej modernizácie vnútorného dráhového detektora experimentu ALICE, modernizácie centrálneho rozhodovacieho systému a rozšíreniu funkcionality softvéru používaného počas zberu dát. Na pôde ÚEF SAV v Košiciach bola vybudovaná vysokovýkonná počítačová farma na spracovanie dát z experimentov na LHC, ktorá sa priebežne modernizuje.

^{Schematický obrázok experimentu s vysvetlivkami}

S. C.: Čo bolo dosiaľ urobené?

I. KRÁLIK: Samotný projekt je pokračovaním aktivít, ktoré začali ešte v 90. rokoch minulého storočia. Tieto aktivity viedli k návrhu a potom aj k úspešnej realizácii experimentu ALICE určeného k štúdiu zrážok Pb-Pb pri doteraz najvyššej dosiahnutej energii zrážky v laboratórnych podmienkach.

Náš hlavný príspevok k budovaniu experimentu ALICE bol návrh a výroba smerovača (routera) pre kremíkový pixelový detektor pozostávajúceho z 20 9U VME modulov (34 x 36 cm veľkých), zabezpečujúceho komunikáciu medzi pixelovým detektorom (~10 miliónov vyčítavaných kanálov), centrálnym rozhodovacím procesorom, systémom vyčítavania dát a systémom riadenia detektora. Okrem toho bolo vyrobených niekoľko menších elektronických modulov. Podieľali sme sa aj na vytvorení softvérového zabezpečenia pre elektronické moduly a tiež aj na vývoji a prevádzke softvéru na monitorovanie a archivovanie luminozity LHC počas zberu dát.

Po uvedení urýchľovača LHC do prevádzky sme sa podieľali na zbere dát (doteraz prebehli dve dlhé obdobia zberu dát – RUN1 a RUN2) a na fyzikálnej analýze. Najvýznamnejším fyzikálnym výsledkom, ku ktorému sme prispeli, boli výsledky štúdia produkcie podivných častíc v rôznych zrážajúcich sa systémoch (p-p, Pb-Pb) pri viacerých energiách poskytovaných urýchľovačom LHC.

Tiež sa nám podarilo vybudovať na pôde ÚEF SAV vysokovýkonnú počítačovú farmu na spracovanie dát z LHC. Táto je pravidelne každý rok modernizovaná tak, aby boli splnené všetky požiadavky, ktoré na výpočtovú techniku na jednotlivých pracoviskách kladie medzinárodná kolaborácia.

S. C.: V akej fáze sa momentálne nachádzate?

I. KRÁLIK: Momentálne sa nachádzame na konci druhého dlhého obdobia zberu dát – asi v polovici vedeckého života experimentu (ak nepočítame jeho návrh, vývoj a budovanie). V roku 2019 sa začne dvojročná odstávka LHC určená na plánovanú údržbu, modernizáciu, zlepšovanie prevádzkových parametrov a tiež aj na modernizáciu experimentov. V experimente ALICE dôjde k výmene a silnej modernizácii niekoľkých detekčných systémov, aby bol celok schopný pracovať pri podstatne vyšších frekvenciách zrážok očakávaných od zmodernizovaného urýchľovača LHC. Košické pracoviská (ÚEF SAV, PF UPJŠ a TUKE) sú zapojené do modernizácie centrálneho dráhového detektora a centrálneho rozhodovacieho systému. Okrem toho samozrejme prebieha a bude prebiehať fyzikálna analýza dát nazbieraných počas druhého obdobia zberu dát – RUN2.

S. C.: S kým spolupracujete?

I. KRÁLIK: Na experimente ALICE spolupracuje približne 1 500 fyzikov zo 154 vedeckých ústavov a univerzít z 37 krajín. Plus veľké množstvo technických a administratívnych pracovníkov. Našimi kolegami sú ľudia z Európy, Ázie, Ameriky – severnej aj južnej – a Afriky.

^{Fotografia experimentu ALICE v podzemí}

S. C.: Čo ešte treba realizovať?

I. KRÁLIK: Experiment ALICE čakajú ešte minimálne dve dlhé obdobia zberu dát a dve plánované odstávky urýchľovača. V januári 2019 sa začne dvojročná plánovaná technická odstávka urýchľovača, počas ktorej bude modernizovaný nielen samotný urýchľovač, ale aj jednotlivé detektory. V experimente ALICE bude treba modernizovať alebo vymeniť niektoré detekčné subsystémy tak, aby bol celok schopný zvládať vysoké frekvencie zrážok. Po tejto modernizácii nastúpi dlhé obdobie zberu dát, analyzovania a publikovania výsledkov. Potom opäť odstávka LHC a detektorov s modernizáciou častí experimentu nasledovaná možno posledným dlhým obdobím zberu dát.

Potom už frekvencia zrážok z urýchľovača LHC s výrazne vylepšenými operačnými parametrami bude príliš vysoká pre detekčné systémy experimentu ALICE. Ale to je ďaleká budúcnosť a všeličo sa môže zmeniť. V každom prípade nás čaká minimálne 10 rokov zaujímavej práce.

S. C.: Aké sú očakávané výsledky?

I. KRÁLIK: S najväčším napätím sú vždy očakávané tie výsledky, ktoré vôbec nikto neočakáva, lebo nám signalizujú existenciu fenoménov, o ktorých toho veľa nevieme a motivujú nás k ďalšiemu výskumu.

Medzi takéto neočakávané výsledky patrí experimentálne pozorovanie javov očakávaných v zrážkach ťažkých iónov (Pb-Pb), predstavujúcich veľké zrážkové systémy, kde sa očakávajú prejavy kvarkovo-gluónovej plazmy aj v zrážkach protónov s protónmi alebo jadrami (p-p, p-Pb), ktoré boli dlho považované iba za zdroj referenčných dát, kde by sa zaujímavé veci diať nemali.

S. C.: Aký je hlavný prínos tohto projektu pre prax, čo prinesie verejnosti?

I. KRÁLIK: Praktická užitočnosť výskumu v oblasti časticovej fyziky a fyziky vysokých energií sa neprejavuje hneď, ale technológie, ktoré je treba vyvinúť alebo zdokonaliť pri budovaní experimentálnych zariadení, sa neskôr môžu objaviť aj v aplikáciách pre bežný život. Príkladom môže byť napríklad World Wide Web pôvodne vyvinutý v CERN-e ako nástroj na distribúciu dát a informácií pre potreby veľkých kolaborácií so spolupracujúcimi pracoviskami rozptýlenými po celom svete. Iným príkladom môže byť vývoj detektorov žiarenia najprv použitých v časticových experimentoch a dnes využívaných napríklad v zdravotníctve.

 

Zhovárala sa: Slávka Cigáňová (Habrmanová), NCP VaT pri CVTI SR

Zdroj foto: CERN

Uverejnila: VČ