V rámci celosvetovo známeho projektu Veľkého hadrónového urýchľovača (Large Hadron Collider – LHC) pracujú aj vedci zo Slovenska. Konkrétne majú na starosti experimenty ATLAS (z angl. A Toroidal LHC ApparatuS) a ALICE (z angl. A Large Ion Collider Experiment). Medzi nimi pôsobí aj bratislavská skupina z Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave (FMFI UK), ktorá realizuje svoju vedeckú činnosť v experimente ATLAS.
Vedecký tím FVE-BA (Tím Fyziky Vysokých Energií Bratislava) bol vyhodnotený ako špičkový vedecký tím. V druhom kole posudzovania ho vybrala Akreditačná komisia. V Rektorskej sieni Univerzity Komenského v Bratislave sa pri tejto príležitosti 13. decembra 2017 uskutočnilo slávnostné prijatie špičkových vedeckých tímov rektorom UK prof. RNDr. Karolom Mičietom, PhD.
Pracovný tím FVE-BA je skupinou vedeckých pracovníkov, doktorandov a študentov, ktorí realizujú svoju činnosť na Katedre jadrovej fyziky a biofyziky FMFI UK. Tím tvoria piati kmeňoví pracovníci katedry – prof. RNDr. Stanislav Tokár, DrSc. (vedúci tímu), Mgr. Róbert Astaloš, PhD., Mgr. Pavol Bartoš, PhD., doc. RNDr. Ivan Sýkora, PhD., a RNDr. Tibor Ženiš, PhD. V súčasnosti má tím sedem doktorandov: Mgr. Tomáš Dado, Mgr. Michal Dubovský, Mgr. Sofia Hyrych, Mgr. Oliver Majerský, Mgr. Matej Melo, Mgr. Michal Račko a Mgr. Juraj Smieško. Do tímu patria aj študenti magisterského štúdia: Dominik Babál, Barbora Eckerová a Jakub Senderák. S tímom úzko spolupracuje aj doc. RNDr. Tomáš Blažek, PhD. z Katedry teoretickej fyziky a didaktiky fyziky FMFI UK. Ťažiskom ich práce je výskum realizovaný v rámci experimentu ATLAS na urýchľovači LHC.
Experiment ATLAS je špičkovým experimentom v oblasti časticovej fyziky. „Jeho detektor bol navrhnutý predovšetkým na skúmanie hlboko nepružných protón-protónových zrážok pri extrémne vysokých energiách, čím dokáže imitovať procesy, ktoré prebiehali vo veľmi rannej fáze evolúcie vesmíru. Iný okruh otázok, ktorým sa ATLAS venuje, predstavujú otázky spojené s hlbším pochopením uväznenia kvarkov v protóne či neutróne. Protón nie je elementárna častica – je zložená z kvarkov, ktoré sú v protóne viazané gluónmi, pričom táto väzba je taká silná, že voľné kvarky nepozorujeme. Exaktná teória uväznenia kvarkov je jednou z výziev pre časticovú fyziku,“ vysvetľuje prof. RNDr. Stanislav Tokár, DrSc., vedúci tímu FVE-BA.
Detektor ATLAS je lokalizovaný v jednom zo štyroch interakčných bodov LHC, teda v mieste, kde sa pretínajú zväzky protónov. Detektor pozostáva zo subdetektorov, ktoré umožňujú rekonštruovať dráhy častíc vychádzajúcich z miesta interakcie, merať energiu a miesto dopadu elektrónov, pozitrónov, fotónov, miónov, hadrónov a jetov, t. j. prúdy častíc pochádzajúcich od kvarkov a gluónov.
Hmotnosť detektora ATLAS je 7 000 ton a jeho rozmery sú 25 m x 46 m (priemer x dĺžka). Z hľadiska elektroniky je to systém, ktorý má 100 miliónov kanálov. To znamená, že informácia o zrážke častíc predstavuje sama osebe 100 miliónov čísel slúžiacich na jej rekonštrukciu. Zväzky zrážajúcich sa častíc pozostávajú z diskrétnych zhlukov častíc (bunches) s dĺžkou 10 cm a priemerom cca 16 mikrónov, pričom jeden zväzok obsahuje asi 3 800 takýchto zhlukov. Dôležitou charakteristikou urýchľovača je jeho svietivosť – v prípade LHC je to 1034/(cm2.s), čo znamená, že v detektore dochádza k asi 1 miliarde zrážok za sekundu. Takýto objem dát nie je možné uložiť, preto sa používa trigerovací systém, ktorý na základe určitých príznakov vyberá len zaujímavé zrážky, takže na permanentný záznam ide cca 300 eventov za sekundu.
Keďže sa ATLAS zameriava hlavne na štúdium hlboko nepružných procesov, ktoré sú charakterizované extrémne malými priestorovými rozľahlosťami, tento detektor predstavuje vlastne mikroskop s rozlíšením na úrovni 10-20 m. „Na ilustráciu: Keby sme toto rozlíšenie reprezentovali úsečkou 1 mm, potom rozmer atómového jadra by bol asi 1 km a atóm by mal približne rozmer zemegule (10 000 km),“ pridáva vedec.
Ako ďalej vysvetlil vedúci tímu, pred začiatkom LHC boli výsledky časticových experimentov vo výbornej zhode s predpoveďami Štandardného modelu (SM). Jediné, čo chýbalo k dotvoreniu úplného obrazu, bol Higgsov bozón, ktorý však predstavuje kritickú časticu v SM. Jeho kritickosť spočíva v tom, že Higgsovo pole „dodalo“ časticiam hmotnosť. Stalo sa to v rannej fáze vesmíru, keď vesmír „ochladol“ na cca 1015 K (t. j. na sto miliónkrát vyššiu teplotu, než je v strede Slnka), Higgsov bozón skondenzoval a zaplnil vákuum. A bola to práve interakcia časticových polí s týmto Higgsovým kondenzátom, čo dalo časticiam nenulovú hmotnosť. Vďaka tomu existujú nukleóny, atómové jadrá, atómy, atď.
To definovalo hlavnú úlohu pre experimenty ATLAS a CMS – hľadanie Higgsovho bozónu a preskúmanie jeho vzťahu k ostatným časticiam SM. Okrem toho bolo potrebné urobiť precízne testy SM a tým ho potvrdiť, resp. nájsť novú fyziku. V júli 2012 kolaborácie ATLAS a CMS ohlásili objav Higgsovho bozónu, čím bol SM zavŕšený. Napriek tomu bolo (a stále je) potrebné pokračovať v experimentoch na LHC, lebo existuje rad javov, ktoré SM nevie vysvetliť. Je to napr. tmavá hmota, tmavá energia či baryónová asymetria, no nevieme vysvetliť ani hodnotu hmotnosti Higgsovho bozónu.
„V kolaborácii ATLAS náš pracovný tím rieši dva okruhy úloh. Prvý okruh je bezprostredne spojený s prevádzkou experimentu – zúčastňujeme sa zmien naberania dát a podieľame sa na prevádzke hadrónového TILE kalorimetra, ktorý slúži na detekciu hadrónov a jetov. Sme tu zodpovední za kvalitu dát, ktoré sú výsledkom procesu merania. Navyše, máme na starosti vývoj softvéru pre tento kalorimeter a náš predstaviteľ plní v kolaborácii funkciu DQ (data quality) koordinátora – je to rozhodujúca osoba pre kontrolu kvality dát z TILE kalorimetra,“ podotkol prof. RNDr. Stanislav Tokár, DrSc., vedúci tímu FVE-BA.
Druhý okruh úloh predstavujú úlohy spojené s fyzikálnymi analýzami. „V našej skupine sa zameriavame na fyziku veľkých priečnych hybností a na tzv. mäkkú hadrónovú fyziku. V rámci prvého smeru sa zaoberáme fyzikou top kvarku a ´vnútorným šarmom´ protónu. Fyzika top kvarku sa zaoberá hlboko nepružnými procesmi s účasťou top kvarkov. Top kvark je najťažšia fundamentálna častica SM a jeho hmotnosť zodpovedá zhruba hmotnosti atómu volfrámu. Pritom ide o ´bodovú´ časticu, ktorej rozmer z hľadiska experimentu nie je väčší než 10-20 m. Top kvark má niekoľko zvláštností, ktoré z neho robia vhodný prostriedok pre testovania SM a hľadanie novej fyziky. Výnimočnosť top kvarku je napríklad v tom, že sa rozpadá ešte predtým, než stihne hadronizovať, teda vytvoriť viazaný stav s iným kvarkom. To znamená, že top kvark neskreslene odovzdá svoje charakteristiky svojim rozpadovým produktom. To umožňuje študovať jeho produkčné, ako aj rozpadové mechanizmy a porovnávať získané výsledky s očakávaniami v rámci SM. Okrem toho je ideálnym perturbatívnym objektom, ktorý sa hodí na testovanie kvantovej chromodynamiky (súčasť SM). To všetko je veľmi dôležité pre hľadanie novej fyziky,“ upozornil vedúci tímu.
Všetky úlohy týkajúce sa top kvarku sú zamerané na testovanie SM a súčasne s tým aj na hľadanie novej fyziky. V minulosti sa tím zaoberal elektrickým nábojom top kvarku. Použijúc nimi vypracovanú metódu aplikovanú na dátovú vzorku nazhromaždenú pri zrážkovej energii 7 TeV, vedci jednoznačne ukázali, že v experimente pozorovaný ťažký kvark je skutočne top kvark SM s nábojom +2/3 a nie exotický kvark s nábojom -4/3. Práca bola publikovaná v roku 2013.
Pôvodne bolo Akreditačnej komisii predložených 52 návrhov na špičkový vedecký tím. Výsledky druhého kola posudzovania špičkových vedeckých tímov pôsobiacich na slovenských vysokých školách zverejnila Akreditačná komisia v závere júna 2017. Zaradila medzi ne 17 špičkových tímov.
Odborný garant textu: prof. RNDr. Stanislav Tokár, DrSc., vedúci tímu FVE-BA
Spracovala: Slávka Cigáňová (Habrmanová), NCP VaT pri CVTI SR
Uverejnila: VČ
Informácie o experimente ATLAS nájdete aj v časopise NAŠA UNIVERZITA (11/2017)