Projekt ATLAS v České republice

1. Projekt ATLAS v České republice • Memorandum o podpoře projektu ATLAS bylo podepsáno v roce 1998 dvěma přispěvateli: • Ministerstvem průmyslu a obchodu České republiky • Výborem pro spolupráci ČR s CERN • Příspěvek ČR na jednotlivé části projektu ATLAS : • 1.6 MCHF =0.5 MCHF + 0.5 MCHF + 0.3 MCHF + 0.3 MCHF • hadronový vnitřníspolečné vklad • kalorimetr TileCal detektorprojekty za účastníky • Na projektu pracují tři instituce: • Akademie věd České republiky — 30 pracovníků (15 fyziků) na Tilecalu a vnitřním det. • Fyzikální ústav, Ústav teorie informace a automatizace • Karlova univerzita — 20 pracovníků (10 fyziků) na Tilecalu a vnitřním det. • Matematicko-fyzikální fakulta • České vysoké učení technické — 15 pracovníků ( 5 fyziků) na vnitřním detektoru, • Fakulty jaderná a fyzikálně inženýrská, strojní a dopraví chlazení a stínění • V dalším podrobněji o přípravěTileCalu,vnitřního detektoru,chlazení,stínění,trigeru, fyzikálního programu a software R. Leitner, koordinátor pražské skupiny R. Leitner - ATLAS

2. Jak přispěje ATLAS k dalším poznatkům? Standardní model – částice ATLAS má velkou šanci objevit chybějicí článek do současného teoretického modelu elementárních částic – Higgsův boson, který hraje podstatnou roli ve vysvětlení hmot intermediálních bosonů. I kdyby byl do doby spuštění experimentu Higgsův boson objeven jinde, dával by ATLAS jedinečnou příležitost k detailnímu prozkoumání jeho vlastností. ATLAS má také potenciál objevit např. supersymetrické částice, které vystupují v alternativních teoriích, resp. rozšířeních současného “standardního modelu”, studovat projevy struktury částic, které se dnes jeví jako bezstrukturní (elementární fermiony), pátrat po dalších exotických částicích předpovídaných některými teoriemi. Standardní model – interakce Kromě lákavých exotických možností nabízí ATLAS detailní studium vlastností již známých částic a jejich interakcí, například studium narušeni CP parity, vlastností nedávno objeveného top kvarku atd. V neposlední řadě je ATLAS jako experiment na přední hranici lidského poznání připraven pozorovat jevy, o kterých nemáme dosud ani netušení. R. Leitner - ATLAS

3. Jak bude ATLAS vypadat a pracovat? Experiment ATLAS bude studovat srážky protonů urychlených budovaným urychlovačem LHC (Large Hadron Collider) na energie 7+7 TeV. LHC je následníkem existujícího urychlovače LEP v tunelu o délce 27 km. Dosud nedosažené energie budou zpřístupněny použitím supravodivých magnetů a dalších nových technologií. Každých 25 ns se budou srážet dva shluky protonů tak početné, že dojde v průměru ke 23 srážkám. Úlohou detektoru je zaregistrovat částice vzniklé v těchto srážkách. R. Leitner - ATLAS

4. Výroba submodulů hadronového kalorimetru (TileCal) V železe válcové části hadronového kalorimetru se rozvíjejí spršky hadronů, které způsobí slaboučké záblesky v plastikových destičkách („dlaždicích“) nastrkaných do mezer mezi železnými deskami. Světlo těchto záblesků je odvedeno optickými vlákny k fotonásobičům a v nich elektronicky zpracováno. Válcová část kalorimetru je doplněna “zátkami” okolo svazku používajícími měď a wolfram jako absorbátor a kapalný argon jako detekční médium. Střední válcová část je poskládána z 64 modulů – “dortových řezů”, každý modul je přitom smontován z 19 submodulů asi 800 kg těžkých. Submoduly vznikají slepením ocelových desek tak, aby zůstaly štěrbiny na desky scintilátoru. V únoru 1996 byly zhotoveny první 3 submoduly, hromadná výroba začala v prosinci 1998, všechny potřebné submoduly vyráběné v Praze, Dubně, Protvinu, Pise, Valencii, Barceloně, Chicagu, Urbaně a Arlingtonu musí být hotovy do února 2002. Všechna ocel (zhruba 3000 tun) byla dodána českými podniky. R. Leitner - ATLAS

5. Výroba submodulů TileCalu Chybné stažení před ztuhnutím lepidla Přes noc v barvě Deformace jedné desky I když je produkce “slepených děravých železných bloků” zdánlivě jednoduchá, není tak jednoduché při lepení dodržet rozměrové tolerance, například výšku submodulu 291.7 +0.3 –1.5 mm) Odladěná výroba začíná čištěním ocelových desek, poskládáním, ztuhnutím lepidla, svařením slepence a konečně nabar-vením, aby moduly nezrezavěly po následujích nejméně 15 let. Pokračuje strojovým nanášením lepidla R. Leitner - ATLAS

6. Zdroje vysokého napětí pro fotonásobiče TileCalu Fotonásobiče, které převádějí nicotné světelné signály na elektrické pulsy, potřebují stabilní zdroje vysokého napětí Celkem jsou potřeba zdroje pro 10 000 fotonásobičů V laboratořích Fyzikálního ústavu AV byl vyvinut a vyroben předprototypzdroje, schopný svými 256 kanály zásobovat 48 fotonásobičů vysokým napětím ve dvou úrovních (-830V, -950 V) s maximálním proudem 20 mA na kanál. Testy prokázaly vysokou stabilitu vyhovující požadavkům experimentu. Zdroje jsou na dálku ovladatelné ve standardu CANBUS. Zdroje bude vyrábětTESLA Praha, prototyp hotov v květnu 2000, prvních 16+2 jednotek bude dodáno v roce 2001 R. Leitner - ATLAS

7. Směšovače světla pro TileCal Směšovače světla jsou nevelké (18×18×43 mm3) plastové hranolky (materiálem je PMMA), sloužící ke smíchání a homogenizování světla přiváděného optickými vlákny od scintilačních dlaždic k foto-násobičům. Je jich s rezervou potřeba 10400 kusů. Směšovače jsou vyráběny v Optické laboratoři MFF UK. Systematicky je sledována a protokolována kvalita produkce (rozměrová tolerance 0,1 mm, kvalita povrchů). Prvních 2000 kusů bylo hotovo v prosinci 1999, v roce 2000 se plánuje výroba 4000 kusů a výroba by měla skončit v prosinci roku 2001 R. Leitner - ATLAS

8. Testování TileCalu na svazku Masové výrobě sub-modulů předcházelo testování prototypů, nadále pokračuje detailní studium chová-ní konstruovaného detektoru pomocí ozařování částicemi různých energií. Mionové stěny detekují částice nezastavené kalorimetrem Testování na svazku již přineslo zajímavé fyzikální výsledky: Measurements of muon bremstrahlung Z. Phys. C73 (1997) 455 Energetické rozlišení (spolupráce elektro-magnetického a hadronového kalorimetru): (41.9%/E+1.8%)  1.8/E Odezva na miony: fit konvolucí Landauova a Gaussova rozdělení Beam Ilustrace efektu kontroly Energie uniklé z kalorimetru: R. Leitner - ATLAS

9. Pixelové detektory pro vnitřní detektor Polovodičové detektory, které umožňují zjistit, kterou z mnoha malých plošek (pixelů) prošla nabitá částice, jsou vyvíjeny a testovány ve Fyzikálním ústavu AV. Testovací zařízení ukazuje horní fotografie, zařízení na připojování vodičů k čipům dolní. Vpravo je schéma „Kdo dělá Co“ R. Leitner - ATLAS

10. Pixelové detektory pro vnitřní detektor Přední a zadní strana křemíkových desek s pixelovými detektory, vyrobenými v podniku Tesla Rožnov. Tesla vyrábí předsérii detektorů. Vyrobené desky splňují požadavky ATLAS Napětí průrazu > 150 V Závěrný proud < 100 nA/cm2 R. Leitner - ATLAS

11. Stripové detektory (SCT) pro vnitřní detektor • Pracovníci ve Fyzikálním ústavu AV ČR se zabývají měřením a kontrolou kvality detektorůve skupině s kolegy z Austrálie, CERN, Krakova, Ženevy, Ljubljany a Moskvy. • V minulých letech: • vyvíjeli ve spolupráci s Universitou V Ženevě a NPI Moskva stripové detektory typu n-in-n a další komponenty. Vzorky detektorů byly vyrobeny v továrně ELMA v Rusku, ozářeny v CERN a otestovány ve FzÚ. • se podíleli na vyhodnocení detektorů CSEM p-in-n na Univerzitě Ženeva • připravili laserové testovací zařízení pro studium ozářených detektorů technikou přechodových proudů v CERN • V tomto a následujících letech: • provedouměření kvality cca 100 předsériových továrně vyrobených (firmou Hamamatsu) detektorů • připraví čistou laboratoř s plochou 60 m2 • budou měřit kvalitu 1600 detektorů pro skupinu spolupracujících laboratoří. R. Leitner - ATLAS

12. Zdroje nízkého napětí pro SCT ATLAS Ve Fyzikálním ústavu AV ČR byl vyvinut prototyp zdrojů nízkého napětí pro napájení modulů křemíkových detektorů v podobě karty standardu VME. Celkem bude potřeba 4088 napěťových kanálů. Karta, která bude umístěna vně celého ATLASu, je zdrojem několika různých napětí pro elektroniku modulů. Napětí pro analogovou (3,5 V/1,4 A) a digitální část (4 V/1 A) modulu jsou měřena a stabilizována na danou úroveň v místě vlastního křemíkového detektoru. Průběh prací: Do současnosti (podzim 2000) bylo vyrobeno již 14 prototypů verze l a 40 prototypů verze 2 (firma Rybka), které jsou užívány v ČR, CERN, UK, Holandsku, Japonsku, Austrálii a Německu. Předsérie by měla být vyrobena v roce 2001 a v letech 2002 a 2003 proběhnout sériová výroba 1100 čtyřkanálových karet R. Leitner - ATLAS

13. Moduly stripových detektorů (SCT) pro ATLAS Na Karlově univerzitě a Českém vysokém učení technickém se testují moduly stripových detektorů. K tomu jsou k dispozici 2 testovací systémy a třetí modernější systém bude dodán do konce roku 2000. Systémy obsahují zdroje nízkých napětí, zdroj vyso-kého napětí, systém konfigurování modulu a vyčítání dat, připojený přes VME k počítači, potřebný software pro nabírání dat a pro jejich vyhodnocení. Práce vyžaduje čistou místnost a chlazení Jednotlivé operace a testy modulů probíhají v Praze, Mnichově, Freiburgu a Amsterodamu (tzv. středo-evropské skupině; v rámci celého ATLASu existují ještě dvě další skupiny). Měří se voltampérové charakteristiky detektorů, kvalita a parametry čipů, celých modulů. K testování se používají diagnostické prostředky, které jsou zabudovány přímo do elektroniky modulů a externí podněty – nabité částice (SPS CERN) nebo laser. Naši pracovníci dlouhodobě pracují na návrhu technologie výroby v Mnichově a Freiburgu. R. Leitner - ATLAS

14. Chlazení vnitřního detektoru ATLAS Vnitřní detektor obsahuje značné množství elektroniky, která vyžaduje chlazení. Pražská skupina podstatně přispěla k vývoji systému chlazení. • Skupina • vybudovala databázi chladicích kapalin (C3F8, C4F10, CF3I a směsí C3F8 A C4F10) • podílela se na návrhu chlazení • vyvinula mobilní a flexibilní systém pro měření a sběr dat • provedla měření na prototypech pixelo-vých a SCT detektorů • bude pokračovat v dalším vývoji chladicího systému a měření jeho funkce R. Leitner - ATLAS

15. Neutronové stínění detektoru ATLAS Pražská skupina z ČVUT je členem atlasovského týmu pro přípravu stínění. Speciálně se podílí na vývoji polyetylénového moderátoru a na návrhu stínění pro oblast blízko svazku. Skupina provedla na urychlovači SPS v CERN experimentální testy funkce různých typů vnějšího neutronového stínění, vedle experimentů provádí Monte Carlo simulace. Výsledky práce byly publikovány v ATLAS Technical Coordination TDR, CERN/LHCC/99-01 Návrh použití polyetylénového moderátoru dopovaného lithiem ve vnitřním detektoru směřuje k prosazení dodávky tohoto materiálu z ČR. Některé výsledky Monte Carlo simulací účinku různého uspořádání neutronového stínění. Neutrony vznikají v hadronové spršce rozvíjející se v železném bloku, do kterého vlétla nabitá částice z urychlovače.. Obrázky ukazují rozdělení neutronů zastavených v různě uspořádaném stínění – PE, BPE, LiPE, BPE + Fe, BPE + Pb, BPE + Fe + LiPE. Výsledky simulací dobře souhlasí s experimenty na SPS. R. Leitner - ATLAS

16. Neutronové stínění detektoru ATLAS Pražská skupina navrhla stínění pro oblast blízkou svazku (Forward Region) v podobě velkých rozebratelných a do sebe zapadajících bloků vyrobených z koncentrických vrstev oceli, litiny, borovaného polyetylénu, oceli, lithiovaného polyetylénu (LiPE) a olova. Probíhá diskuse, zda je poslední vrstva olova nezbytná. R. Leitner - ATLAS

17. Software pro ATLAS – grafika Pro zobrazování a vyhodnocování experi-mentálních dat je připravován grafický software, pracovník z FzÚ koordinuje vývoj jeho klíčových složek. Prohlížeč objektů WIRED - event display v jazyku JAVA Atlantis Program pro zobrazování událostí (event display) z experimentu ALEPH byl přepsán do jazyka JAVA JAS - analytické studio v jazyku JAVA GraXML je třídimenzionální event display R. Leitner - ATLAS

18. Software pro ATLAS - algoritmy triggeru Pražská skupina se podílí na vývoji software pro hledání drah v rámci triggeru druhé úrovně a testování hardware triggeru (FPGA, spolupráce s Mannheimem a Saclay) pomocí MC dat nagenerovaných pro rozpad BSO J/f. Skupina také vyvíjí nový vlnový algoritmus, obr. ukazuje rekonstrukci drah ve vnější části vnitřního detektoru, v tzv. TRT (Transititon Radiation Tracker). Ve spolupráci se Saclay testuje skupina použití algoritmů neurálních sítí na odlišení produkce Higgsova bosonu v kanále vedoucím na čtyři jety od pozadí. Algoritmus používá kompletní granularitu kalorimetru. Analýzy použití neurálních sítí budou rozšířeny na trigger hledající b-jety. Budou-li takové použití neurálních sítí úspěšná, umožní ATLASu efektivnější hledání procesů vedoucích k b-kvarku a následně jetu. R. Leitner - ATLAS

19. Příprava fyzikálního programu: B-fyzika • Pražská skupina se zabývá přípravou fyzikálního programu, zaměřeného na studium vlastností částic obsahujících b-kvark, speciálně • přesným měřením polarizace produkovaných baryonů s b-kvarkem • narušením CP parity vně rámce Standardního modelu v rozpadech BSO J/f Předpokladem tohoto studia bylo upřesnění modelů produkce pro energie urychlovače LHC pomocí dat z experimentů CDF a D0. Skupina koordinovala produkci Monte-Carlo simulovaných dat, která byla použita pro fyzikální studie a jsou uschována pro nové testy software. Pracovníci skupiny spolupracují s dalšími experimenty na vývoji univerzálně použitelné knihovny programů pro popis rozpadů částic s b-kvarkem. R. Leitner - ATLAS

20. Fyzika – Spinové korelace t a t kvarků Velký počet produkovaných párů nejtěžšího kvarku t a jeho antikvarku umožní zkoumat dynamiku jejich vzniku pomocí sledování jejich spinu. Spiny t-kvarku a anti-t-kvarku mohou být orientovány souhlasně vzhledem ke směru jejich pohybu nebo nesouhlasně. Poměr těchto dvou případů svědčí o mechanismu vzniku t t, což jsou kvarky 35× těžší než b-kvarky již relativně dobře prostudované. Jednotlivé spinové orientace se poznají podle úhlu mezi koncovými leptony. n e+(m+) W+ t b g p p g t b e–(m–) W– n Jednotlivé čáry na obrázcích odpovídají předpovědím standardního model (SM), případu zanedbání spinů (NC) a dvěma úrovním CP narušení (CP28 a CP96). Malé rozdíly viditelné na prvním obrázku jsou zvýrazněny na dalších obrázcích, kde jsou vyneseny relativní diference. R. Leitner - ATLAS

21. Fyzika — ověřování a rozvoj QCD Od fundamentální teorie silných interakcí, za kterou se dnes považuje kvantová chromodyna-mika (QCD), očekáváme vysvětlení měřených dat a předpovědi důležité pro přípravu budoucích experimentů. Výpočty rozdělení nabitých částic pro podmínky urychlovače Tevatron (Fermilab, USA) lze již srovnávat s výsledky experimentu, výpočty pro LHC jsou opravdu předpověďmi. R. Leitner - ATLAS

22. Počítačová infrastruktura projektu ATLAS Experiment Atlas bude po roce 2005 produkovat desítky TB dat ročně. Současná lokální infrastruktura v ČR umožňuje zpracovávat stovky GB dat, proto je nezbytné vytvořit do roku 2005 generačně novou infrastrukturu. K vyřešení situace laboratoří účastnících se experimentu ATLAS přispěje Evropský projekt DATAGRID. ČR se projektu účastní. Od konce roku 2000 bude v ČR k disposici prostor pro data 1 TB a pro intenzívní počítání a zpracování dat Linuxová farma s 64 procesory. Další zvětšení kapacity bude znamenat od roku 2001 pásková knihovna 10 TB, plánována je pravidelná každoroční modernizace. Počítačové spojení s CERN má dnes kapacitu 4 Mb/s, připojení pomocí Evropského projektu GEANT poskytne od roku 2001 kapacitu ~ 1 Gb/s. Toto rychlé spojení bude vyhrazeno pro vybrané výzkumné projekty, na kterých se ČR též účastní. R. Leitner - ATLAS

23. Popularizace projektu ATLAS Přispíváme k činnosti popularizační skupiny experimentu ATLAS (například k dokumen-tačnímu systému fotografií, podíleli jsme se na přípravě videofilmu o projektu ATLAS) Pravidelně konáme přednášky a exkurze pro studenty i učitele o částicové fyzice a speciálně ATLASU Srozumitelná informace o ATLASu a částicové fyzice je začleněna do nové sady učebnic fyziky pro základní školu Fyzika kolem nás a je veřejnosti dostupná na webových stránkách http://www-hep.fzu.cz/~rames/outreach/castice.html R. Leitner - ATLAS

24. Shrnutí • České instituce výrazně přispěly k projektu ATLAS, jak při konstrukci detektoru, tak při přípravě fyzikálního programu • Během let 1996 až 1999 bylo publikováno 48 časopiseckých článků, 52interních (ale veřejně dostupných) zpráv spolupráce ATLASa bylo prezentováno a publikováno 75 vystoupení na konferencích. Velká část článků a konferenčních vystoupení je dílem teoretické skupiny uvnitř ATLAS. • Bylo obhájeno pět diplomových prací, dvě doktorské práce jsou před obhajobou. Na projektu začínají pracovat další mladí lidé. • Již45 % našeho příspěvku do ATLAS je zaplaceno. R. Leitner - ATLAS