Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR Identifikační číslo projektu: LA08032 Průběžná zpráva o realizaci projektu Příjemce : Řešitel : Název projektu :
České vysoké učení technické v Praze Ing. Stanislav Pospíšil, DrSc. Mezinárodní experiment ATLAS – CERN
Zpráva o řešení části projektu LA08032 "Mezinárodní experiment ATLAS-CERN" v roce 2008 v ÚTEF ČVUT v Praze A. Subprojekt "Zajištění provozu detektoru SCT" Věcná náplň řešení této části je dle smlouvy o řešení projektu LA08032 stanovena následujícím dílčím cílem: V004 "Zajištění provozu kalorimetru TileCal a detektoru SCT", který zavazuje tým ÚTEF k podílu na zajištění provozu SCT detektorů a to osobní účastí na pravidelných směnách při sběru experimentálních dat a při opravách a modernizaci částí detektoru SCT. Tato část zprávy dokládá činnost pracovišť, která se na ČVUT podílejí na řešení t.zv. subprojektu SCT. Jde o Ústav fyziky Fakulty strojní (FS) a Ústav technické a experimentální fyziky (ÚTEF) ČVUT v Praze. Na jeho řešení se podílelo celkem 13 pracovníků s celkovou kapacitou představující cca 5 pracovních sil. Jmenovitě šlo o následující pracovníky uvedených součástí ČVUT: - FS ČVUT: T. Horažďovský, D. Chren, Z. Kohout, K. Nagai*, M. Solar, B. Sopko; - ÚTEF ČVUT: J. Jusko*, V. Linhart, P. Mašek (Bc. student), V. Král (Ph.D. student), S. Pospíšil, T. Slavíček (MSc. student), V. Sopko*. Z těchto pracovníků jsou 4 mladší 30 let. Pracovníci označení „*“ pracovali v CERN dlouhodoběji, celkově jejich práce v CERN svým rozsahem odpovídala cca 4 „člověkoměsícům“. Práce na dílčím projektu SCT FWD koordinoval RNDr. Michael Solar, CSc., který také ČVUT v subprojektu SCT v CERN zastupoval. Průběh řešení subprojektu v roce 2008 a současný stav: K prvním cílům práce v roce 2008 patřila účast na dokončení montážních prací v okolí vnitřního detektoru v experimentu ATLAS. V této práci pracovníci ČVUT pokračovali na jmenovitou výzvu koordinátora experimentu ATLAS. Jednalo se přitom o montážní práce v CERN zaměřené na instalaci kabeláže, o servisní práce pro vnitřní detektor (instalace a kontrola senzorů teploty, vlhkosti a tlaku, regulace chladicích okruhů, měření parametrů chlazení apod.) a o kontroly ohřívacích tělísek instalovaných do chladicích okruhu. Značné lidské i finanční zdroje byly věnovány přípravě a zaškolení pracovníků určených na provozní směny v rámci vnitřního detektoru ATLASu. Jednalo se o jejich zaškoleni pro samostatnou obsluhu detektoru z řídicího sálu. Školení, kterého se za CTU zúčastnili Michael Solar, Tomáš Slavíček, Vlastimil Král a Vít Sopko se týkalo tří oblastí, spadajících pod skupinu SCT, a to DCS, DAQ a ID Gen. DCS – Detektor Control System - řídí procesy chlazení a napájení části EndCap A a C + Barrel, DAQ zodpovídá za sběr dat při vlastních experimentech a ID Gen je obdobou DCS, ale kromě části SCT má širší působnost. Jedná se při něm o monitoring správné funkce všech součástí vnitřního detektoru a jeho pracovního prostředí (teplota, vlhkost, radiační monitoring). Proto je označován adjektivem GENERAL. Výsledkem je, tým 4 lidí získal v průběhu školicího kurzu a navazujících tréninkových (tzv. watch) směn kvalifikaci "směnaře" pro ATLAS SCT DCS. Vedle toho získal navíc tým 3 lidí (V. Král, T. Slavíček, V. Sopko) kvalifikaci směnaře pro ATLAS ID GEN směny. V období, kdy se naše skupina účastnila práce v řídicím sále, proběhl test kompletního vypnutí a opětovného automatického zapnutí celé SCT části, který odhalil několik nedostatků, vyžadujících úpravu řídicího SW a dále tzv. Combined Run, ve kterém se snímají data, včetně testů s pomocí "kosmiky", současně více částmi detektoru. V návaznosti na toto školení byl T. Slavíček obratem vyžádán ke službě v celkem 12 plnoprávných směnách, z toho 6 směn absolvoval ve prospěch ATLAS SCT DCS a 6 pro ATLAS ID GEN. 1
Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR Práce uskutečňované na domácím pracovišti využívaly i v roce 2008 detektorové laboratoře vybudované v ÚTEF pro pokročilé ověřování funkčnosti detekčních SCT modulů laserovými testy a těžkými nabitými částicemi pro účely programu ATLAS Upgrade. Šlo o práce věnované zjednodušení elektronického ovládání ATLAS SCT modulů, a to pomocí vysokorychlostní sběrnice USB s cílem pozorovat signál v analogové formě a využívat jej ke spektroskopickým testům SCT moduly pro potřeby interpretace měřených výsledků v návaznosti na data z projektu MPX-ATLAS. K tomu je pracoviště ÚTEF ČVUT dobře vybaveno (laserové testy, radiační testy, testy sdílení náboje mezi individuálními stripy s vysokým rozlišením pomocí precizních XY mikroposunů) v plném rozsahu. Pokračovaly i metodické práce zaměřené na studium radiační odolnosti v radiačním n-gamma poli, které byly věnovány problematice monitorování dávek a jejich vyjádření z pohledu tzv. "1MeV equivalentního spektra neutronů". Tyto práce byly realizovány s využitím zařízení ÚJF AV ČR a IIZ ČMI a setkaly se zájmem o navrženou metodiku ze strany ATLAS-LARG týmu z MPI Mnichov (skupina vedená Dr. P. Schachtem) pro účely studia radiační odolnosti elektronických součástek pro LARG "upgrade". Naše skupina, která dojednala ozařovací LARG experimenty v ÚJF, je při nich zodpovědná za monitorování neutronových toků pomocí systému monitorů Radmon. V roce 2008 proběhly dva experimenty, které jsou ve fázi vyhodnocování. Prezentace výsledků řešení suprojektu: Odborné výsledky dosažené v této části projektu byly publikovány v 3 článcích v mezinárodních recenzovaných časopisech a prezentovány ve formě posterového příspěvku na mezinárodní konferencí. Upřesnění programu prací pro rok 2009: Další práce na projektu ATLAS SCT FWD budou pokračovat v souladu programem nového projektu na léta 2008-12. Konkrétně a v první řadě půjde o zajištění příslušného počtu provozních směn jak ve fázi před konečným spuštěním LHC tak za jeho provozu v roce 2009. Po předběžné dohodě s vedením směn bude naše aktivita pokračovat školeními pro DAQ a prací na upgrade zařízení v SR-1 až do února roku 2009. Celkově se pro rok 2009 plánuje z naší strany pro zajištění provozu SCT detektoru účast minimálně 4 osob ve dvoutýdenních směnách včetně dalších prací v SR-1. Celkový počet směn, připadajících na jednotlivé instituce je stále předmětem jednání CB a IB a bude pravděpodobně určen na příštím pracovním ID týdnu, který je svolán na únor 2009. Pak budou upřesněny další závazky, které na sebe naše pracoviště převezme v rámci tohoto projektu pro rok 2009. Na domácím pracovišti se plánují první testy modulů stripových detektorů za podmínek, ve kterých doposud nebyly testovány. Půjde hlavně o sledování vlastností modulů při ozařování neutrony, o analýzu signálu vyvolávaného rychlými neutrony a o změny vlastností modulů díky jejich dlouhodobému působení neutronů a jejich interpretaci s pomocí referenčních testů s ATLAS-MPX moduly.
B. Subprojekt "Měření spektrálních charakteristik a složení záření v detektoru ATLAS pomocí sítě ATLAS-MPX" Věcná náplň řešení této části se rozvíjela v souladu s plánem projektu ve směru měření charakteristik záření v experimentu a jejich interpretace z pohledu celého experimentu ATLAS. Dle smlouvy o řešení projektu tato problematika spadá do následujících dílčích cílů: V007 "Vybudovat a zajistit provoz systému pro měření a charakterizaci radiačního pozadí v detektoru ATLAS a jeho okolí" s následujícími očekávanými výsledky: - Adaptace software a USB rozhraní pro detektory MEDIPIX pro potřeby monitoringu radiačního pozadí. - Kalibrace detektorů použitých v systému pro X-záření, gama záření, pomalé neutrony, rychlé neutrony, ionty a další nabité částice. - Uvedení do provozu systému monitorujícího radiační pozadí a jeho provoz. V008 "Příprava instrumentace dopředné části ATLAS" s předpokládanými dlouhodobými výsledky: - Provézt příslušné simulace jak fyzikálních procesů tak optimalizace aparatury. - Zhotovit prototypy součástí detektoru a provézt ozařování na testovacích svazcích. V009 "Experimentálně stanovit charakteristiky a spektrální složení radiace v experimentu ATLAS a interpretovat její vliv na parametry jednotlivých subdetektorů v experimentu" s očekávanými následujícími dlouhodobými výstupy: - Informace o radiaci v místech vybraných pro potřeby jednotlivých subdetektorů experimentu ATLAS. - Interpretace pozorovaných signálů a dat z SCT části vnitřního detektoru a pro vyhodnocení reálné účinnosti jednotlivých částí neutronového stínění. 2
Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR - Výsledky řešení budou konfrontovány s výsledky projektu "Radiation background benchmarking at the LHC and simulations for an ATLAS Upgrade at the SLHC" a užity k hodnocení odpovídajících Monte Carlo simulací. Na řešení tohoto subprojektu se podílelo celkem 15 českých pracovníků s celkovou domácí pracovní kapacitou v rozsahu cca 4 plných pracovních sil. Jmenovitě šlo o následující pracovníky a studenty uvedených součástí ČVUT a jednoho pracovníka z MFF UK: - ÚTEF ČVUT: T. Holý, J. Jakůbek, V. Král, M. Platkevič (PhD. student), S. Pospíšil, J. Rosenkranz (technik), J. Šolc, I. Štekl, D. Tureček (MSc. student), Z. Vykydal (PhD. student), J. Žemlička, (MSc. student); - FD ČVUT: V. Machek, J. Sodomka, J. Turek (technik); - MFF UK: M. Suk. Projekt vedl Ing. Stanislav Pospíšil, DrSc., za technickou stránku odpovídal Ing. Z. Vykydal s organizační pomocí prof. Michala Suka, DrSc. Z pracovníků zapojených do projektu jsou 4 mladší 30 let.
Průběh řešení subprojektu v roce 2008 a současný stav: Projekt vybudování sítě pixelových monitorů spektrálních charakteristik záření v oblasti JF stínění, mionových komor a v hale experimentu ATLAS (dále jen MPX-ATLAS) se zrodil z iniciativy ATLAS týmu ÚTEF ČVUT v návaznosti na dlouhodobě a úspěšně řešené projekty ATLAS JM a JF neutronové stínění. V průběhu roku 2008 v jeho řešení pokračoval rozšířený mezinárodní řešitelský tým tvořený členy ATLAS z ÚTEF ČVUT (T. Holý, J. Jakůbek, V. Král, M. Platkevič, S. Pospíšil, J. Rosenkranz, J. Šolc, I. Štekl, D. Tureček, Z. Vykydal, J. Žemlička), Univerzity Karlovy (Z. Doležal, M. Suk, I. Wilhelm), CERN-Medipix2 Collaboration (M. Campbell, E. Heijne, M. Nessi, L.Tlustos, M. Jaekel, G. Mornacchi, M. Nessi, A. Onea), University of Montreal (J. Bouchami, A. Gutierrez, J. Idarraga, C. Lebel, C. Leroy, J.P. Martin), Glasgow University (C. Buttar, V. O’Shea, K. M. Smith, D. Maneuski), NIKHEF (E. Koffeman, J. Visschers) a z Freiburgu (M. Fiederle, D. Greiffenberg). Projekt byl řešen v souladu s návrhem, který byl předložen a schválen ATLAS EB (T. Holý, J. Jakůbek, S. Pospíšil, J. Uher, Z. Vykydal, Z. Doležal, M. Suk, I. Wilhelm, M. Campbell, E. Heijne, X. Llopart, L. Tlustos, C. Leroy, B. Mikulec, M. Nessi, C. Buttar, V. O’Shea, K. M. Smith: "Proposal to measure spectral characteristics and composition of radiation in ATLAS by MEDIPIX2USB Devices". ATLAS Internal Note, CERN; Michael Campbell, Claude Leroy, Stanislav Pospisil, Michal Suk, Marzio Nessi (proposers): „Measurement of Spectral Characteristics and Composition of Radiation in ATLAS by MEDIPIX2-USB Devices". ATLAS Internal Note, CERN, viz https://edms.cern.ch/document/815615/1). Síť detekčních zařízení pro měření spektrálních charakteristik a složení pozaďového záření ve vnějších částech experimentu ATLAS se v roce 2008 podařilo zcela zkompletovat. Jde o samostatný systém v ÚTEF adaptovaných pixelových ATLAS-MPX detektorů, který bude poskytovat obraz o tocích a spektrálním složení rozdílných druhů záření (fotonů a částic včetně pomalých a rychlých neutronů). Detekční zařízení MPX-ATLAS, jež jsou založena na „MEDIPIX2 pixel silicon detectors“, jsou již provozována v síti s pomocí aktivních USB kabelů a USB-Ethernet prodlužovačů skrze Ethernet spojení do řídicího ATLASMPX počítače, který byl výhradně pro tyto účely přidělen v „USA15 ATLAS control room“. Celkem je v ATLASu v současnosti umístěno 15 takových zařízení, z nichž 14 bylo umístěno podle původního projektu (11 v těle experimentu ATLAS v oblastech ID, LARG, Tilecal a kolem Forward Muon Chambers, jeden na povrchu "JF Forward Shielding", dva na stěnách podzemní ATLAS haly a patnáctý byl vyžádán pro potřeby subprojektu LUCID). Jejich lokalizace je zobrazena na provozních stránkách experimentu ATLAS, které byly připraveny pro projekt ATLAS-MPX, http://atlas.web.cern.ch/Atlas/index.html, dále "Operation", "Radiation monitors" a "ATLAS-MPX", http://pcatdwww.cern.ch/atlas-point1/operRef.php?subs=radiation/. Odezva detektorů v oblasti JF stínění a mionových komor bude sloužit jako základ pro ověření dosavadních simulací účinnosti JF neutronového stínění, ať už jde o simulace skupiny Sheffield/Arizona či ÚTEF. V průběhu roku všechna zařízení fingovala spolehlivě. Jediné problémy způsobovalo narůstání magnetického pole v průběhu testu ATLAS magnetů, a to u řídicích počítačů umístěných v hale experimentu. V souvislosti s odkladem konečného spuštění LHC bylo proto rozhodnuto, že všechna ATLAS-MPX zařízení budou vybavena radiačně odolným interfacem s prodlouženou USB kabeláží tak, aby všechny ATLAS-MPX počítače mohly být přemístěny do místnosti USA15 s potlačeným vlivem magnetického pole. Tyto práce již byly zahájeny a dokončeny budou v prvním čtvrtletí příštího roku. Pro tento projekt byly v roce 2008 vedle samotné instalace celé sítě a R/O elektroniky a počítačů realizovány rozsáhlé experimenty zaměřené na účinnostní kalibrace zařízení vůči X-záření, gamma-záření, nabitým částicím, pomalým a rychlým neutronům. Testovací a kalibrační experimenty se uskutečnily na cyklotronu v ÚJF AV ČR a na Van de Graaffově urychlovači MFF UK, které sloužily jako zdroje rychlých neutronů, a v IIZ ČMI s radionuklidovými zdroji neutronů a se zdroji X-záření. Základními kalibračními 3
Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR měřeními prošlo všech 15 instalovaných zařízení. Vedle toho bylo kalibrováno dalších 5 ATLAS-MPX zařízení, která budou jako tzv. referenční zařízení používána pro doplňující srovnávací měření v rámci dalších potřeb ATLAS-MPX projektu. Projekt těží z toho, že v ÚTEF jsou specialisté, kteří pokrývají celé spektrum problematiky počínaje experimentální činností a MC-simulacemi pozaďových interakcí v celém objemu detektoru a konče fyzikou. K provozu sítě byl připraven softwarový balík "Remote control of ATLAS-MPX via web-interface", který umožňuje vzdálené ovládání a řízení celého systému ATLAS-MPX. Síť byla v provozu v průběhu roku 2008. Přinesla rozsáhlá data o úrovni přirozeného pozadí a o úhlovém rozdělení kosmických mionů vstupujících do podzemí v oblasti experimentu ATLAS. V současnosti jsou tato data zpracovávána a připravována k publikaci. Svou funkčnost síť potvrdila i dne 10.9.2008, kdy byl do prostoru experimentu ATLAS zaveden i svazek. Záznam z tohoto dne je pro tři zařízení uveden na ATLAS-MPX web-interface stránce, viz. http://147.32.68.27:5080/, User: guest, Password: test. O aktuálnosti celého dlouhodobě řešeného projektu "Neutronové stínění a radiace v experimentu ATLAS" a zvláště pak výstavby detekční sítě pro on-line měření charakteristik radiačních polí v experimentu ATLAS a jeho okolí, svědčí skutečnost, že byť jde o projekt, jehož idea se zrodila před dvěma lety, byl na základě přímé podpory managementu ATLAS do experimentu plně integrován jako samostatný ATLAS subprojekt. To dokládá mimo jiné i skutečnost, že v hlavní publikaci "The ATLAS experiment at the CERN Large Hadron Collider" (ATLAS Technical paper) připravované pro JINST jsou v kapitolách 1.8 "Radiation, shielding and interface to the LHC machine", kapitola 3 "Background radiation and shielding", zahrnuty přímé výsledky dosažené skupinou ÚTEF ČVUT, a že výsledky práce na projektu MPX-ATLAS z posledních 2 let shrnuje zvláštní odstavec 3.4.3 "Network of detectors for radiation measurements", který byl do textu souhrnné publikace o experimentu ATLAS dodán na základě podkladů připravených v Praze. O obdobnou síť pixelových detektorů pro experiment CMS projevila zájem Univerzita Canterbury, Christchurch, Nový Zéland, která se souhlasem managementu projektu ATLAS a s pomocí týmu ÚTEF ČVUT v experimentu CMS síť s 5 zařízeními typu ATLAS-MPX dodanými z ÚTEF postavila. Velmi pozitivní odezvou na dosavadní zapojení pracovníků ÚTEF do experimentu ATLAS je skutečnost, že tým ÚTEF ČVUT se stal jednou ze 17 institucí v Evropě (CERN, CH; AGH-UST, PL; CEASaclay, FR; CIEMAT ES; CNRS-IN2P3, FR; CTU in Prague, CZ; DESY, DE; ETH Zürich, CH; FOMNIKHEF, NL; GSI, DE; Imperial, UK; INFN, IT; PSI, CH; STFC, UK; UBONN, DE; UNIGE, CH; USFD, UK), které připravily a získaly pod koordinací CERN v rámci EU programu podpory vědy a výzkumu FP7 INFRASTRUCTURES-2007-1 projekt "Preparatory Phase of the Large Hadron Collider Upgrade" - "SLHCPP", jehož řešení započalo 1. dubna tohoto roku. Koordinátorem celého je Lyn Evans (LHC project leader).
Prezentace výsledků řešení suprojektu: Výsledky dosažené na vybudování sítě ATLAS-MPX v rámci tohoto subprojektu lze shrnout následovně: - Vytvoření metodiky a instrumentace pro stanovení zastoupení pomalých a rychlých neutronů ve směsných radiačních polích. - Individuální kalibrace všech detektorů ATLAS-MPX s tepelnými neutrony, se zdroji 252Cf, 241AmBe a se 14 MeV neutrony z Van de Graaffova urychlovače. - Instalace sítě 15 detektorů Medipix2 v provedení ATLAS-MPX v detektoru ATLAS. - Vývoj software pro zpracování a zobrazování dat z měření v reálném čase. - Simulace tvorby signálu v detektoru Medipix2 a a srovnání těchto výsledků s kalibračními měřeními. Odborné výsledky dosažené v této části projektu byly publikovány ve formě 6 článků v mezinárodních recenzovaných časopisů a 7 publikovaných příspěvků na mezinárodní konference, jak je níže doloženo. Zařízení ATLAS-MPX má charakter prototypu se širokým uplatněním na poli experimentální fyziky pěstované na urychlovačích. Vedle toho byly v průběhu roku prezentovány v CERN na poradách projektu ATLAS-MPX (3x) a na poradách projektu Medipix v CERN (3x). Na projektu se podílí 10 studentů (5 z ÚTEF, 1 z Glasgow, 1 z Freiburgu a 3 z Montrealu), z nichž 6 jsou studenty doktorského studia a 4 jsou studenty magisterského studia.
Náplň práce v roce 2009: Náplň práce pro příští rok je určena zadáním zformulovaným ve smlouvě k řešení projektu LA08032 "ATLAS na LHC v CERN" v letech 2008-12. Tento MPX-ATLAS projekt bude pokračovat ve spolupráci pracovních skupin z NIKHEF, Glasgow, Montrealu, Freiburgu a UK pod koordinací ATLAS týmu z ÚTEF ČVUT. Jeho náplň lze shrnout následovně: - V roce 2009 bude dokončena úprava všech ATLAS-MPX zařízení a jejich řídicích počítačů instalovaných v experimentu ATLAS pro komunikaci prostřednictvím radiačně odolných interface prostřednictvím USB protokolu kabelovým spojením na vzdálenosti větší než 100 metrů. 4
Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR - Bude pokračovat absolutní kalibrace účinnosti MPX-ATLAS detekčních zařízení v celém rozsahu očekávaných složek záření a jeho spektrálního složení v oblasti JF stínění a dále rozpracováván SW pro tzv. "pattern recognition" detektorem zaznamenaných treků a stop jednotlivých kvant záření. - Hlavním cílem bude zajištění provozu sítě MPX-ATLAS a interpretace dat z ní pro potřeby celého experimentu ATLAS. Experimentální testy s MPX-ATLAS zařízeními pro ATLAS budou aktuální již ve fázi provozu LHC s malou luminozitou, neboť dají předpověď o radiační situaci, která nastane při standardním provozu LHC. Data z MPX-ATLAS budou analyzována z pohledu pozaďového signálu v jednotlivých detektorech a z pohledu radiační odolnosti elektroniky, SEE efektů a v neposlední řadě i z pohledu radiační bezpečnosti v okolí experimentu. V blízkosti jiných subdetektorů (kalorimetry, mionové komory) budou napomáhat analýze signálu od částic do detektorů jak vstupujících tak i je opouštějících. Předpokládá se úzká součinnost pracovníků věnujících se simulacím metodou Monte-Carlo s elektroniky a s experimentátory, kteří budou detektory testovat a získané výsledky interpretovat. Pracovníci ÚTEF budou provoz této sítě garantovat z pozice expertů pro zajištění provozních směn. - Budou připraveny dva manuály popisující vlastnosti a data získávaná ze sítě ATLAS-MPX, a to jak pro potřeby pracovníků zajišťujících směny tak pro fyziky k interpretaci dat ze sítě pro potřeby jednotlivých ATLAS subdetektorů. V rámci SLHC-PP EU FP 7 projektu se bude v maximální míře vycházet také potřebám dalších CERNských experimentů.
C. Subprojekt "3D Active-Edge křemíkové pixelové detektory" Významnou částí programu ATLAS High Luminosity Upgrade z pohledu ATLAS ID je vývoj, příprava výroby, charakterizace a testování Full-3D-Active-Edge a Mod-3D křemíkových pixelových detektorů s extrémní radiační odolností a vysokou rychlostí, viz ATLAS Upgrade Document C. Da Via et al. "Development, Testing and Industrialization of Full 3D-Active-Edge and Modified-3D Silicon Radiation Pixel Sensors with extreme Radiation Hardness Results, Plans", ATLAS Upgrade Document, https://edms.cern.ch/document/828969/1, https://edms.cern.ch/document/802648/1) na jehož přípravě se rovněž podílel tým ÚTEF ČVUT. Na tomto subprojektu se tým z ÚTEF podílí v rámci dílčího cíle projektu LA08032, V010 "Vyvinout 3D Active-Edge křemíkové pixelové detektory", k jehož dosažení smlouva ukládá: - Získat znalosti vztahující se k vývoji, výrobě, charakterizaci a k testování Full-3D-Active-Edge a Mod-3D křemíkových pixelových detektorů s extrémní radiační odolností a s vysokou rychlostí tvorby signálu. - Ověřit vlastnosti vyvíjených 3D detektorů jednotlivých typů a jejich prototypy. - Nabýt poznatky o radiační odolnosti těchto detektorů vůči neutronům a jiným druhům záření. Dostupnost 3D detekčních struktur k testování je zaručena v rámci smluvní spolupráce s technologickými partnery zapojenými do projektu (Manchester, SLAC, SINTEF, Trento, ...). V rámci experimentu ATLAS se v budoucnu předpokládá využití těchto detektorů pro potřeby projektu LUCID. Jde tedy o propojení aktivit v Atlas ID s aktivitami studia radiace v dopředné oblasti experimentu ATLAS. Na projektu "3D křemíkových detekčních struktur" se na ČVUT v roce 2008 podíleli výhradně pracovníci ÚTEF ČVUT pod vedením Dr. Vladimíra Linharta. Jmenovitě šlo o P. Maška (MSc. student), S. Pospíšila a T. Slavíčka, jejichž zapojení do projektu odpovídalo v roce 2008 cca 2 plným pracovní úvazkům. Průběh řešení subprojektu v roce 2008 a současný stav: Role ÚTEF ČVUT v tomto subprojektu je odvozena od výše uvedeného dílčího cíle a spočívá v základním i pokročilém testování a charakterizaci 3D detekčních struktur. Pro tuto práci, která spočívá ve spektroskopických měřeních na mikrostrukturách, jež vyžadují mikromanipulaci, byla v průběhu roku vybudováno testovací pracoviště pro komplexní charakterizaci polovodičových detektorů. Jde o "probe station" v elektromagneticky odstíněné skříni s kontrolovaným prostředím (vlhkost, teplota), která je umístěna v čistých prostorách. Pracoviště dovoluje měřit spektrální i časové charakteristiky detekčních struktur s vysokou rozlišovací schopností (sběr náboje s přesností desetin procenta, časy s rozlišením jednotek nanosekund). Výsledky testů 3D-struktur v ÚTEF byly již publikovány jak je doloženo níže. Vedle měření radiačně poškozených 3D detekčních struktur v domácích laboratořích, jejichž výsledky již byly publikovány, se naši pracovníci zapojili i do testů na testovacích svazcích SPS v CERN (T. Slavíček a V. Linhart, léto 2008) , kde byly měřeny vlastnosti detektorů bondovaných na ATLAS pixelové R/O čipy. Testována byla jejich odolnost detektorů na radiační zátěž očekávanou v podmínkách běhu SuperLHC. Prezentace výsledků řešení suprojektu: Odborné výsledky dosažené v této části projektu byly publikovány v jednom článku v mezinárodní recenzovaném časopise a prezentovány v jednom příspěvku na mezinárodní konferenci. 5
Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR Upřesnění programu prací pro rok 2009: V roce 2009 budou pokračovat práce na tomto subprojektu v souladu s dlouhodobými cíly zformulovanými v LA08032. Vedle pokračování studia radiační odolnosti struktur bude hlavní pozornost soustředěna na metodický rozvoj prostorového sledování sběru náboje ve 3D strukturách a popisu elektrického pole v nich.
D. Subprojekt "Fyzika v experimentu ATLAS" Subprojekt reprezentuje příspěvek ÚTEF ČVUT, který odpovídá cílům V012 "První fyzikální výsledky z detektoru ATLAS" a V013 "Studium interakcí protonů s protony na urychlovači LHC pomocí aparatury ATLAS", tak jak byly definovány v návrhu projektu LA08032. Na řešení tohoto subprojektu ČVUT se v roce 2008 podílel Dr. Karel Smolek, který směrem této problematiky vedl i diplomanta P. Kadlečíka, jenž na této problematice úspěšně obhájil diplomovou práci na Komenského univerzitě v Bratislavě. Průběh řešení subprojektu v roce 2008 a současný stav: Karel Smolek se v roce 2008 v rámci projektu ATLAS věnoval studiu produkce párů kvarků top-antitop produkovaných při proton-protonových interakcích na LHC. Podílel se na vytvoření Monte-Carlo generátoru popisujícího produkci top kvarků v RS (Randallová-Sundrum) modelu s velkými extra dimenzemi. V rámci tohoto modelu se zabýval vlivem gravitonů na spinové korelace top-antitop párů. K ohodnocení možnosti pozorovat uvedené jevy v experimentu ATLAS byla využívána rychlá simulace detektoru ATLAS. Studován byl především dvouleptonový finální stav páru top-antitop kvark. Při zkoumání pozorovatelnosti studovaných jevů byla využita již dříve studovaná metoda topologické rekonstrukce událostí, ve kterých jsou pozorovány pouze dva b-jety a dva nabité leptony. Další práce se týkala otázky, jak produkci top kvarků na LHC ovlivní případná existence Z' bosonů a hypotetických objektů nazývaných nečástice (unparticles). Stejně jako v případě RS modelu byla pozornost zaměřena především na spinové vlastnosti top kvarků. Uvedená problematika byla studována v mezinárodní spolupráci s pracovníky z KEK, Sogang University v Soulu a Komenského univerzity v Bratislavě. Prezentace výsledků řešení subprojektu: Dosažené výsledky byly předneseny na pracovních setkáních pracovníků zabývajících se fyzikou top kvarků konaných v Praze a Bratislavě, v roce 2008 publikovaných proceedings konferencí HEP2007 a TOP 2007. Nové výsledky týkající se modelu se Z' byly přijaty k opublikování v mezinárodním časopisu Acta Physica Polonica B a v současné době je dokončována publikace výsledků studia modelu s nečásticemi. Karel Smolek se jako řešitel této části projektu podílel na vedení odborné práce studenta z Komenského univerzity v Bratislavě, který úspěšně obhájil diplomovou práci na téma "Štúdium spinových korelácií kvarkového páru topantitop v simulacii detektora ATLAS". Plán pro rok 2009: V roce 2009 bude Ing. Karel Smolek, Ph.D. pokračovat ve studované problematice. Na počátku roku 2009 dokončí a opublikuje výsledky týkající se modelu s nečásticemi a bude pracovat na zahrnutí jím studovaného modelu do Monte-Carlo generátoru. Z předchozích výsledků plyne, že pro studium efektů gravitonů v RS modelu na spinové korelace top kvarků v experimentu ATLAS bude pravděpodobně výhodnější využívat jednoleptonové finální stavy. Proto bude v dalším roce tento kanál podrobněji studován z hlediska detekčních možností v experimentu ATLAS.
Služební cesty a zahraniční hosté v roce 2008: Celkem bylo v rámci celého projektu realizováno cca 27 služebních cest, z nichž většina směřovala do CERN. Cesty byly vykonány za účelem účasti na pracovních poradách (ID week, Atlas week, MPX-ATLAS projekt), instalačních a montážních pracech, na směnách SCT a při přesunech pracovníků podílejících se na montážních a testovacích pracech v CERN. Vedle toho ÚTEF navštívila řada zahraničních hostů z institucí, které spolupracují s ÚTEF na projektu LA08032. Šlo převážně o spolupracovníky na projektu ATLAS-MPX, kteří se podíleli na kalibračních experimentech realizovaných v Praze. Mezi nimi byli 4 PhD. studenti (2 z Montrealu, jeden z Glasgow a jeden z Freiburgu), kteří na projektu v Praze pracovali celkově po dobu asi 4 měsíců.
6
Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR
Řízení této části projektu LA08032 na ČVUT v Praze: Na projektu se na ČVUT podíleli v hlavní míře pracovníci ze 3 součástí ČVUT – FD, FS a z ÚTEF. Mezi součástmi byly uzavřeny smlouvy o řešení projektu. Zodpovědným řešitelem za tuto část projektu "ATLAS na LHC" je dle smlouvy se zadavatelem Ing. Stanislav Pospíšil, DrSc., ředitel ÚTEF ČVUT. Finanční prostředky byly z rektorátu mezi jednotlivé součásti ČVUT rozdělovány v souladu se zákonem o veřejných vysokých školách cestou vnitřního účetnictví na základě smluv o řešení projektu podle rozpisu financí v předkládaném návrhu. Jak doložili všichni řešitelé dílčích úkolů na ČVUT, jsou přidělené prostředky čerpány v souladu s plánem. Výše uvedené programy se staly v podstatné míře i součástí projektů ATLAS Upgrade a EU FP7 projektu SLHC-PP, viz EU FP-7-Infrastructures-2007-1 projekt "SLHC-PP -- Preparatory Phase of the Large Hadron Collider Upgrade", jehož koordinátorem je na léta 2008-10 Lyn Evans z CERN. Na jeho řešení se podílí 17 předních institucí v oblasti částicové fyziky pěstované na urychlovačích (AGH-UST, CERN, CEA, CNRS-IN2P3, CIEMAT, CTU Prague, DESY, ETHZ, Imperial College London, INFN, NIKHEF, PSI, GSI, STFC-RAL, Sheffield University, Bonn University, Geneva University). Je potěšující, že Česká republika je mezi těmito významnými institucemi z převážně velkých evropských zemí zastoupena.
Dělba financí mezi jednotlivá řešitelská pracoviště ČVUT Součást ÚTEF FS* FD Celkem
INV prostředky ---------------------
NINV prostředky 1 708 000 Kč 260 000 Kč 65 000 Kč 2 033 000 Kč
Celkem 1 708 000 Kč 260 000 Kč 65 000 Kč 2 033 000 Kč
Stav hospodaření s prostředky přidělenými na řešení projektu LA08032 "Mezinárodní experiment ATLAS v CERN" je doložen v tabulce, která je ke zprávě přiložena. Ta zahrnuje stav čerpání prostředků k 30.11.2008. Dosud nevyčerpané finanční prostředky (představující cca 5% z přidělených prostředků) budou v plném rozsahu využity ve prospěch projektu a vyúčtovány v posledním měsíci tohoto roku.
Hlavní vědecké publikace a další odborné výstupy a prezentace pracovníků ČVUT připravené v rámci projektu ATLAS v roce 2008 Přijetí EU FP7 projektu: EU FP7 - Infrastructures-2007-1 projekt: "SLHC-PP -- Preparatory Phase of the Large Hadron Collider Upgrade", jehož koordinátorem je na léta 2008-10 Lyn Evans z CERN. Na jeho řešení se podílí 17 předních evropských institucí v oblasti částicové fyziky pěstované na urychlovačích (AGH-UST, CERN, CEA, CNRS-IN2P3, CIEMAT, CTU Prague, DESY, ETHZ, Imperial College London, INFN, NIKHEF, PSI, GSI, STFC-RAL, Sheffield University, Bonn University, Geneva University). Práce publikované v mezinárodních recenzovaných časopisech: A. Abdesselam, P.P. Allport, C. Anastopoulos, ... , J. Benes, P. Benes, D. Chren, T. Holy, T. Horazdovsky, J. Jakubek, J. Jusko, O. Jusko, Z. Kohout, V. Koukol, V.Kral, V. Linhart, S Pospisil, T. Slavicek, B. Sopko, V. Sopko, I. Stekl, etal: "The integration and engineering of the ATLAS SemiConductor Tracker Barrel". JOURNAL OF INSTRUMENTATION, 3: Art. No. P10006 OCT 2008. ISSN: 1748-0221 D. Attree, B. Anderson, E.C. Anderssen, ... , V. Sopko, etal: "The evaporative cooling system for the ATLAS inner detector ". JOURNAL OF INSTRUMENTATION, 3: Art. No. P07003 JUL 2008. ISSN: 1748-0221 A. Abdesselam, P.P. Allport, C. Anastopoulos, ... , J. Benes, P. Benes, D. Chren, T. Holy, T. Horazdovsky, J. Jakubek, J. Jusko, O. Jusko, Z. Kohout, V. Koukol, V.Kral, V. Linhart, S Pospisil, T. Slavicek, B. Sopko, V. Sopko, I. Stekl, etal: "Engineering for the ATLAS SemiConductor Tracker (SCT) end-cap". JOURNAL OF INSTRUMENTATION, 3: Art. No. P05002 MAY 2008. ISSN: 1748-0221 M. Fiederle, D. Greiffenberg, J. Idárraga, J. Jakůbek, V. Král, C. Lebel, C. Leroy, G. Lord, S. Pospíšil, V. Sochor, M. Suk, "Energy calibration measurements of MediPix2". Nucl. Inst. and Meth. in Phys. Res. A 591, 1, (2008) 75-79.
7
Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR M. Campbell, E. Heijne, T. Holy, J. Idarraga, J. Jakubek, C. Lebel, C. Leroy, X. Llopart, S. Pospisil, L. Tlustos, Z. Vykydal, "Study of the charge sharing in silicon pixel detector by means of alpha particles interacting with a Medipix2 device". Nucl. Inst. and Meth. in Phys. Res. A 591, 1 (2008) 38-41. Z. Vykydal, J. Bouchami, M. Campbell, Z. Dolezal, M. Fiederle, D. Greiffenberg, A. Gutierrez, E. Heijne, T. T. Holy, E. Heijne, J. Jakubek, S. Pospisil, J. Uher, Z. Vykydal: ”Pattern recognition of tracks induced by individual quanta of ionizing radiation in Medipix2 silicon detector”. Nucl. Inst. and Meth. in Phys. Res. A 591, 1 (2008) 287-290. J. Uher, J. Jakubek, U. Koster, C. Lebel, C. Leroy, S. Pospisil, R. Skoda, Z. Vykydal: "Detection of fast neutrons with the Medipix-2 pixel detector". Nucl. Inst. and Meth. in Phys. Res. A 591, 1 (2008) 71-74. C. Da Via, J.Hasi, C. Kenney, V. Linhart, S. Parker, T.Slavicek, S.J. Watts, P. Bem, T. Horazdovsky, S. Pospisil: "Radiation hardness properties of Full-3D active edge silicon sensors". Nucl. Inst. and Meth. in Phys. Res. A 587, 2-3 (2008) 243-249. M. Arai, N. Okada, K. Smolek, V. Šimák: "Top quarks spin correlations with graviton in ADD and RS models at the Large Hadron Collider". Nucl.Phys.Proc.Suppl.177-178 (2008) 333-334. K. Smolek, M. Arai, N. Okada, V. Šimák: "Influence of graviton on top-antitop production at the LHC". Journal of Physics: Conference Series 110 (2008) 072040 (3 pages). M. Arai, N. Okada, K. Smolek, V. Šimák: "Influence of Z-prime boson on top quark spin correlations at the LHC". Accepted for publication in Acta Physica Polonica B. Holy, J. Idarraga, J. Jakubek, V. Kral, M. Kralik, C. Lebel, C. Leroy, X. Llopart, D. Maneuski, M. Nessi, V. O'Shea, M. Platkevic, S. Pospisil, M. Suk, L. Tlustos, P. Vichoudis, J. Visschers, I. Wilhelm and J. Zemlicka, "The Medipix2Based Network for Measurement of Spectral Characteristics and Composition of Radiation in ATLAS Detector". Accepted for publication in Nucl. Inst. and Meth. in Phys. Res. A, October 2008. D. Greiffenberg, M. Fiederle, Z. Vykydal, V. Kral, J. Jakubek, T. Holy, S. Pospisil, D. Maneuski, V. O’Shea, M. Suk and M. Kralik, "Detection efficiency of ATLAS-MPX detectors with respect to neutrons". Accepted for publication in Nucl. Inst. and Meth. in Phys. Res. A, November 2008. Doplněk: V hlavní publikaci "The ATLAS experiment at the CERN Large Hadron Collider", připravené pro JINST jsou v kapitole 1.8 "Radiation, shielding and interface to the LHC machine" a kapitola 3 "Background radiation and shielding", zahrnuty přímé výsledky dosažené skupinou ÚTEF ČVUT. Autorský příspěvek skupiny ÚTEF ČVUT, který shrnuje výsledky dosažené na projektu MPX-ATLAS z posledních 2 let, tvoří zvláštní odstavec 3.4.3 "Network of detectors for radiation measurements". Publikace byla již přijata do tisku.
Publikované příspěvky na mezinárodních konferencích: Z. Vykydal, J. Bouchami, M. Campbell, Z. Dolezal, M. Fiederle, D. Greiffenberg, A. Gutierrez, E. Heijne, T. Holy, J. Idarraga, J. Jakubek, V. Kral, M. Kralik, C. Lebel, C. Leroy, X. Llopart, D. Maneuski, M. Nessi, V. O'Shea, M. Platkevic, S. Pospisil, J. Solc, M. Suk, L. Tlustos, P. Vichoudis, J. Visschers, I. Wilhelm and J. Zemlicka, "Evaluation of the ATLAS-MPX Devices for Neutron Field Spectral Composition Measurement in the ATLAS Experiment". Accepted for publication in Proccedings of the IEEE NSS-MIC 2008 Conference. Z. Vykydal, J. Bouchami, M. Campbell, Z. Dolezal, M. Fiederle, D. Greiffenberg, A. Gutierrez, E. Heijne, T. Holy, J. Idarraga, J. Jakubek, V. Kral, M. Kralik, C. Lebel, C. Leroy, X. Llopart, D. Maneuski, M. Nessi, V. O'Shea, M. Platkevic, S. Pospisil, J. Solc, M. Suk, L. Tlustos, P. Vichoudis, J. Visschers, I. Wilhelm and J. Zemlicka, "Evaluation of the ATLAS-MPX Devices for Neutron Field Spectral Composition Measurement in the ATLAS Experiment". Poster. Abstract published in the 2008 IEEE NSS-MIC Conference Book of Abstracts, Dresden, 19.10. - 25.10.2008. Z. Vykydal, J. Bouchami, M. Campbell, Z. Dolezal, M. Fiederle, D. Greiffenberg, A. Gutierrez, E. Heijne, T. Holy, J. Idarraga, J. Jakubek, V. Kral, M. Kralik, C. Lebel, C. Leroy, X. Llopart, D. Maneuski, M. Nessi, V. O'Shea, M. Platkevic, S. Pospisil, M. Suk, L. Tlustos, P. Vichoudis, J. Visschers, I. Wilhelm and J. Zemlicka, "The Medipix2Based Network for Measurement of Spectral Characteristics and Composition of Radiation in ATLAS Detector". Oral presentation", 10th IWORID conference, Helsinki, 29.6. - 3.7.2008. Published in the Conference Book of Abstracts.
8
Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR D. Greiffenberg, M. Fiederle, Z. Vykydal, V. Kral, J. Jakubek, T. Holy, S. Pospisil, D. Maneuski, V. O’Shea, M. Suk and M. Kralik, "Detection efficiency of ATLAS-MPX detectors with respect to neutrons". Poster presentation on 10th IWORID conference, Helsinki, 29.6. - 3.7.2008. Published in the Conference Book of Abstracts. T. Slavicek, V. Linhart, P. Pridal: "Experimental setup for various detection tests of radiation semiconductor detectors" Poster na IEEE NSS/MIC/RTDS 2008. To be published in the NSS Conference Proceedings. O. M. Røhne (on behalf of the ATLAS 3D Pixel Collaboration): "Edge Characterization of 3D Silicon Sensors after Bump-Bonding with the ATLAS Pixel Readout Chip". Oral presentation IEEE NSS/MIC/RTDS 2008, Dresden. To be published in the NSS Conference Proceedings Z. Vykydal, T. Holy, J. Jakubek, M. Platkevic, S. Pospisil: "Medipix2/USB portable radiation camera". NUCLEAR PHYSICS METHODS AND ACCELERATORS IN BIOLOGY AND MEDICINE, 2007, Prague. AIP CONFERENCE PROCEEDINGS, 958, 105-107. C. Granja, Z. Vykydal, J. Jakubek, S.Pospisil: "Position-sensitive nuclear spectroscopy with pixel detectors Source". VII LATIN AMERICAN SYMPOSIUM ON NUCLEAR PHYSICS AND APPLICATIONS, 2007, Cusco. AIP CONFERENCE PROCEEDINGS, 947, 449-452. M. Campbell, E. Heijne, T. Holý, J. Idárraga, J. Jakubek, C. Lebel, C. Leroy, X. Llopart, S. Pospíšil, L. Tlustos, Z. Vykydal: “Charge Collection from Proton and Alpha Particle Tracks in Silicon Pixel Detector Devices”, Conference record of Nuclear Science Symposium IEEE 2007, October 2007, Honolulu, USA. Published on CDROM (2008). Contribution No. N20-6. M. Campbell, Z. Dolezal, D. Greiffenberg, E. Heijne, T. Holy, I. Iddaraga, J. Jakubek, V. Kral, M. Kralik, C. Lebel, C. Leroy, X. Llopart, G. Lord, D. Maneuski, , O. Oullette, V. Sochor, S. Pospisil, M. Suk, L. Tlustos, Z. Vykydal, I. Wilhelm: "The measurement of Spectral Characteristics and Composition of Radiataion in ATLAS with Medipix2USB Devices". Oral contribution (S. Pospisil) to the 10th ICATPP Conference on Astroparticle, Particle, Space Physics, Detectors and Medical Physics Applications, Villa Olmo, Como, Italy, 8-12 October, 2007. Published in "Astroparticle, Particle, Space Physics, Detectors and Medical Physics Applications" (eds. M. Barone, A. Gatti, C. Leroy, L. Price, P.G. Rancoita, R. Ruchti), the Proceedings of this Conference, World Scientific, Singapore (2008) 346-353. Prototyp Detektor Medipix2 přizpůsobený k detekci termálních a rychlých neutronů s možností určení spektrálního složení neutronového pole (verze ATLAS-MPX). Disertační a diplomové práce: P. Kadlečík: Štúdium spinových korelácií kvarkového páru top-antitop v simulacii detektora ATLAS, diplomová práce, Komenského univerzita v Bratislavě (2008).
9
Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR
Tisková zpráva - česky 1 (musí obsahovat dosažené cíle , resp. výsledky projektu): (max. 254 znaků) Účast ČVUT na experimentu ATLAS pokrývá: - zajištění provozu detektoru SCT v experimentu ATLAS na LHC; - měření složení a spektrálních charakteristik záření v experimentu ATLAS; - vývoj a testování 3D křemíkových detekčních struktur; - fyziku řešenou v experimentu ATLAS.
Tisková zpráva - anglicky 2 (musí obsahovat dosažené cíle , resp. výsledky projektu): (max. 254 znaků) CTU participation on ATLAS experiment covers: - SCT detector operational shifts at ATLAS experiment; - measurement of composition and spectral characterization of radiation in the experiment; - development and testing of 3D silicon detecting structures; - physics in ATLAS experiment.
Ing. Stanislav Pospíšil, DrSc. řešitel projektu LA08032 ÚTEF ČVUT v Praze V Praze, 8. 12. 2008
1 2
Tisková zpráva je součástí pouze závěrečné zprávy a obsahuje dosažené výsledky řešení projektu, vč. publikací atp.. Tisková zpráva je součástí pouze závěrečné zprávy a obsahuje dosažené výsledky řešení projektu, vč. publikací atp..
10
