Projekt ATLAS v České republice R. Leitner, koordinátor pražské skupiny 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 vnitřní společné vklad kalorimetr TileCal detektor projekty 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.
MatematickoMatematicko-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 přípravě TileCalu, vnitřního detektoru, chlazení, stínění, trigeru, fyzikálního programu a software R. Leitner - ATLAS
1
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 dále je 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, v roce 1999 bylo vyrobeno 87, v roce 2000 170 sbubmodulů, celkem 258 do konce roku 2000. 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 R. Leitner - ATLAS českými podniky.
2
Výroba submodulů TileCalu
Odladěná výroba začíná čištěním ocelových desek,
•Prague Submodule Average Height •Ave. Height •Deviation from Nominal
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)
•Min Height.
•Max. Height
Porucha lepicího zařízeni Přechod na sváření TIG
•4.00 •3.00 •2.00 •1.00
•0.00 •1 •12 •23 •34 •45 •56 •67 •78 •89•100•111•122•133•144•155•166•177•188•199•210•221•232•2 •-1.00 •-2.00
Submodule Sequence Number
Pokračuje strojovým nanášením lepidla
R. Leitner - ATLAS
poskládáním, ztuhnutím lepidla, svařením slepence a konečně nabarvením, aby moduly nezrezavěly po následujích nejméně 15 let. 3
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 předprototyp zdroje, schopný svými 256 kanály zásobovat 48 fotonásobičů vysokým napětím ve dvou úrovních (-830V, -950 V) s maximálním proudem 20 mA na kanál. Zdroje vyrábí TESLA Praha, prototyp dodán 30.6. 2000, testy v CERN a na testbedu v Praze, po odstranění SW chyb a prokázání bezpečnosti dle CERNských norem výroba 17 jednotek v roce 2001 Testy prokázaly vysokou stabilitu vyhovující požadavkům experimentu. Zdroje jsou na dálku ovladatelné ve standardu CANBUS.
R. Leitner - ATLAS
4
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 pak 4000 kusů a výroba by měla skončit v prosinci roku 2001.
R. Leitner - ATLAS
5
Testování TileCalu na svazku Masové výrobě submodulů předcházelo testování prototypů, nadále pokračuje detailní studium chování konstruovaného detektoru pomocí ozářování částicemi různých energií.
Mionové stěny detekují miony nezastavené kalorimetrem
Testování na svazku již přineslo zajímavé fyzikální výsledky: Beam
Energetické rozlišení (spolupráce elektromagnetického a hadronového kalorimetru): (41.9%/√E+1.8%) ⊕ 1.8/E Odezva na miony: fit konvolucí Landauova a Gaussova rozdělení, signál/šum
Ilustrace efektu kontroly
Measurements of muon bremstrahlung Z. Phys. C73 (1997) 455
nad utíkajícími miony.
Results From a New Combined Test of an Electromagnetic Liquid Argon Calorimeter with Hadronic Scintillating-Tile Calorimeter, NIM A 443 (2000) 51-70 R. Leitner - ATLAS 6 Hadronic Shower Development in Iron Scintillator Tile Calorimetry, NIM. A 443 (2000) 51-70
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
7
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
8
Stripové detektory (SCT) pro vnitřní detektor Pracovníci ve Fyzikálním ústavu AV ČR se zabývají měřením a kontrolou kvality detektorů ve 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: • provedou měření 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
9
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 takových karet. 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
10
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 vysokého 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. středoevropské 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. V Praze bude prováděno funkční a protokolární testování modulů. Z. Doležal byl jmenován vedoucím aktivity „Quality Assurance“ R. Leitner - ATLAS
11
Chlazení vnitřního detektoru ATLAS Vnitřní detektor obsahuje značné množství elektroniky, která vyžaduje chlazení. Pražská skupina podstatně přispívá 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 pixelových a SCT detektorů • bude pokračovat v dalším vývoji chladicího systému a měření jeho funkce
R. Leitner - ATLAS
12
Neutronové stínění detektoru ATLAS Pražská skupina z ČVUT je členem 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? (plněného?) 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 částice (jaká, s jakou energií?) 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
13
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, lithiem plněného polyetylénu (LiPE) a olova. I. Štekl je jmenován do pracovní skupiny „Radiation task force“. J. Palla, J. Sodomka a I. Štekl jsou členy „Shielding engineering group“ Dobrá šance pro získání průmyslové zakázky do ČR.
R. Leitner - ATLAS
14
Software pro ATLAS – grafika Pro zobrazování a vyhodnocování experimentálních dat je připravován grafický software, J. Hřivnáč 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
15
CP violating weak phase φs
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/ψφ M. Smižanská Předpokladem pro studia bylo upřesnění modelů produkce pro energie urychlovače LHC pomocí dat z experimentů CDF a D0.
Golden plated channel Bs-J/Ψ Φ
1
New Physics example: L-R sym. Model
10
-1
ATLAS 3 σ discovery line Stand. Model
10
-2
20
30
40
Bs mixing param. xs
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
16
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. V. Šimák, K. Otec, R. Smolek ν e+(µ µ +)
W+ t
g
p
b p
g t b
W–
e–(µ µ –)
ν 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
17
Fyzika — ověřování a rozvoj QCD Od fundamentální teorie silných interakcí, za kterou se dnes považuje kvantová chromodynamika (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. A. Kupčo
R. Leitner - ATLAS
18
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 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, plánován je pravidelný každoroční upgrade. 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
19
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, 52 interních (ale veřejně dostupných) zpráv spolupráce ATLAS a 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.
•
Již 45 % našeho příspěvku do ATLAS je zaplaceno.
R. Leitner - ATLAS
20
