Przejdź do głównej treści

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Eksperyment ATLAS w laboratorium CERN

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) to eksperyment fizyki cząstek elementarnych, który jest jednym z czterech dużych eksperymentów na akceleratorze LHC (Large Hadron Collider) w laboratorium CERN pod Genewą. Celem eksperymentu ATLAS jest poszukiwanie nowych zjawisk fizycznych w zderzeniach proton-proton przy skrajnie wysokich energiach.

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) to eksperyment fizyki cząstek elementarnych, który jest jednym z czterech dużych eksperymentów na akceleratorze LHC (Large Hadron Collider) w laboratorium CERN pod Genewą. Celem eksperymentu ATLAS jest poszukiwanie nowych zjawisk fizycznych w zderzeniach proton-proton przy skrajnie wysokich energiach. W eksperymencie ATLAS również będą badane oddziaływania jądro-jądro, celem tych badań jest zrozumienie praw fizyki dotyczących materii o bardzo dużej gęstości energii.

W 2012 r. eksperymenty ATLAS i CMS dokonały niezależnie odkrycia bozonu Higgsa o masie 125 GeV, elementarnej cząstki skalarnej, bedącej manifestacją mechanizmu nadającego masę cząstkom elementarnym i ostatnią brakującą cegiełką Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych.

Detektor ATLAS ma kształt cylindryczny: 46 m długości i 25 m średnicy i jest największym detektorem kiedykolwiek skonstruowanym dla potrzeb fizyki cząstek elementarnych. Jego waga to 7000 ton. Umieszczony jest w betonowej komorze znajdującej się 100 m pod powierzchnią ziemi. Składa się z sześciu różnych podsystemów detekcyjnych, w kształcie cylindrycznych warstw otaczających punkt zderzenia wiązek protonowych. Rejestrują one tory, pędy i energie cząstek produkowanych w trakcie zderzenia, pozwalające na ich identyfikację i pomiar ich własności. Systemy magnesów zakrzywiają tory cząstek naładowanych, co pozwala na precyzyjne pomiary ich pędów.

Cztery podstawowe podsystemy detektora ATLAS to: Detektor Wewnętrzny, Kalorymetr, Spektrometr Mionowy i System Magnesów. Decyzja czy dany przypadek zostaje zapisany na dysku jest podejmowana przez zintegrowany z detektorem System Triggera i System Zbierania Danych (DAQ), który jest wyspecjalizowanym, wielopoziomowym systemem komputerowym, wybierającym przypadki spełniające określone warunki. Przygotowanie danych do analizy i ich opracowywanie jest wykonywane na dużym systemie do obliczeń rozproszonych, składającym się z ponad 130 centrów obliczeniowych rozmieszczonych na niemal wszystkich kontynentach.

W detektorze ATLAS następuje ponad bilion zderzeń proton-proton w ciągu sekundy, a tylko 1 na milion z tych oddziaływań jest wybierane jako interesujące i zapisywane na dysku, umożliwiając przeprowadzenie ich analizy. Zarejestrowane dane eksperymentalne pozwalają na bardzo różnorodne pomiary: badania własności cząstki Higgsa, kwarków t, poszukiwanie czarnych mikrodziur, anomalnych wymiarów i czarnej materii.

Eksperyment ATLAS zajmuje się badaniem dużej grupy zagadnień z dziedziny fizyki cząstek elementarnych, ale podstawowy cel to badanie oddziaływania podstawowych składników materii. Kluczowe pytania, na które szukana jest odpowiedź to:

  1. Jakie są podstawowe składniki materii? Model Standardowy opisuje oddziaływanie elementarnych składników materii, które były obserwowane eksperymenalnie. ATLAS bada te składniki aby potwierdzić czy są one faktycznie elementarne, czy może są zbudowane z jeszcze mniejszych elementów.

  2. Jakie są podstawowe oddziaływania pomiędzy tymi składnikami? Model Standardowy opisuje elementarne oddziaływania pomiędzy elementarnymi składnikami materii. Wyniki badań eksperymentalnych mogą potwierdzić postulowane teoretycznie rozszerzenia tego modelu, takie jak supersymetria, która postuluje tylko jeden typ oddziaływania dla ultrawysokich energii.

  3. Co się stało z antymaterią? Zrozumienie mechanizmu, który wywołuje asymetrię pomiędzy ilością produkowanej materii i antymaterii umożliwi wytłumaczenie dlaczego we wszechświecie obserwujemy tylko materię.

  4. Co to jest "czarna materia"? Obserwacje astronomiczne potwierdzają istnienie materii, która nie może być zaobserwowana znanymi technikami. Jednakże, hermetyczność detektora ATLAS umożliwia obserwacje, że coś umyka naszej detekcji. Jedna z kilku możliwości wytłumaczenia takiej obserwacji to właśnie "czarna materia".

  5. Jak wyglądał początek wszechświata i jak będzie on ewaluowal? Zderzenia proton-proton i ciężkich jonów w akceleratorze LHC są przeprowadzane w warunkach, które odtwarzają te, które prawdopodobnie panowały zaraz po "Wielkim Wybuchu", kiedy wszechświat tworzyły elementarne cząstki materii, a później pierwotna "zupa kwarkowo-gluonowa", co pozwala eksperymentowi ATLAS badać własności tak podstawowych zjawisk jak oddziaływanie pola Higgsa, czy powstanie czarnej materii.

  6. Jak w ten obrazek wpisuje się grawitacja? Oddziaływanie grawitacyjne jest bardzo słabe w porównaniu z innymi oddziaływaniami. Aby wyjaśnić tę różnicę, badamy takie modele, jak dodatkowe wymiary, grawitony czy mikroskopijne czarne dziury.

  7. A może coś zupełnie nowego? Prawdopodobnie najbardziej fascynująca w programie badań naukowych eksperymentu ATLAS jest możliwość odkrycia i badania zupełnie nowych zjawisk (oddziaływań i cząstek), które nie są przewidywane przez obecnie istniejące modele teoretyczne. Poszukiwanie nieznanego.

Badanie przewidywań Modelu Standardowego może prowadzić do epokowych odkryć, takich jak odkrycie cząstki Higgsa (poniżej), fizyki poza Modelem Standardowym, czy rozwoju nowych teorii opisujących ewolucję wszechświata.

Eksperyment ATLAS to duża współpraca międzynarodowa, skupiająca około 3000 fizyków (autorów publikacji) z ponad 181 instytucji badawczych z ponad 38 krajów ze wszystkich zamieszkałych kontynentów. To jedna z największych grup eksperymentalnych, jaka kiedykolwiek powstała. Ponad 1200 studentów doktoranckich z całego świata uczestniczy w rozwoju i budowie detektora oraz zbieraniu i analizie danych. W eksperyment ATLAS zaangażowana jest również znaczna liczba inżynierów, techników i pracowników administracyjnych.

Naukowcy na ogół pracują w stosunkowo małych grupach, wielkości od kilku do kilkudziesięciu osób skupionych na konkretnej analizie danych fizycznych, która ich interesuje. Jednak wyniki ich pracy są wspólne dla wszystkich członków eksperymentu. Sukces eksperymentu jest wynikiem wspólnego wysiłku wszystkich oraz ich zaangażowania w osiągnięcie jak najlepszego wyniku analizy, jak największej precyzji pomiaru, jak największej efektywności i jakości pracy poddetektora.

Eksperyment jest finansowany na podstawie umów międzynarodowych finansujących działalność laboratorium CERN oraz środków przeznaczonych na badania naukowe poszczególnych instytucji uczestniczących w eksperymencie.

Członkowie eksperymentu ATLAS z grupy Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego uczestniczą obecnie w rozwoju i optymalizacji systemu dla podejmowania decyzji czy dany przypadek jest interesujacy i powinien być zapamiętany na dysku (System Triggera), który będzie użyty w trakcie Fazy III (2022-2025) działania akceleratora LHC. Uczestniczą również w analizach danych zebranych podczas Fazy I (2010-2012) i Fazy II (2015-2018), dotyczących precyzyjnych pomiarów własności Modelu Standardowego, a w szczególności cząstki Higgsa.

Aktualnie w skład grupy ATLAS w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego wchodzą następujące osoby:

  • prof. dr hab. Elżbieta Richter-Wąs,

  • dr hab. Witold Przygoda,

  • dr Damian Gil,

  • dr Marek Pałka,

  • dr Kacper Topolnicki,

  • mgr Tomasz Przedziński,

  • Patryk Czudak,

  • Adrianna Frydrowicz.