Co się dzieje, gdy w LHC zderzają się protony?

CMS trajektoria cząstek

Wielki Zderzacz Hadronów to potężna maszyna, która z bardzo wysoką energią, zderza ze sobą protony. Jednak ważną rzeczą jest, aby nie myśleć o nich jak o protonach, ale jak o składowych protonów.

Proton składa się z kilku cząstek, które nazywamy kwarkami i gluonami, więc tak naprawdę to, co tam się mierzy, to zderzenia pomiędzy tymi zbiorami cząstek.

Większość z tych kolizji mieści się w granicach znanej fizyki. Poszukiwane są jedynie zdarzenia rzadkie. Zajęcie to przypomina szukanie igły w stogu siana, gdyż z jednej kolizji może wyskoczyć 100 lub więcej cząstek. Naukowcy chcą jednak wiedzieć, która cząstka i gdzie powędrowała oraz jaką miała energię. Wiedza ta potrzebna jest do rekonstrukcji kolizji, a to pozwala na weryfikację różnych teorii, które opisują fizykę na poziomie podstawowym.

Powstanie ponad 100 cząstek podczas jednej kolizji, to nie magia, a konwersja energii, wygenerowanej przez zderzenie, na zestaw nowych cząstek, takich jak elektrony, fotony i mniej znane miony.

CMS (ang. Compact Muon Solenoid)

CMS (ang. Compact Muon Solenoid) – detektor, który służy m.in. do obserwacji mionów. Wybudowany w CERN-ie w Wielkim Zderzaczu Hadronów.

Protony zderzają się w samym centrum detektora, takiego jak np. CMS (ang. Compact Muon Solenoid), który wyglądem przypomina wielką beczkę. Wznosi się na wysokość pięciu pięter, waży 14 tysięcy ton i składa się z warstw, które mierzą trajektorię wyprodukowanych cząstek oraz ich energię. Warstwy te, można podzielić z grubsza na trzy grupy. W samym centrum jest tracker, zaraz za nim kalorymetr, a następnie detektor mionów.

Tracker

Tracker wykonany jest z krzemu. Krzem jest używany do produkcji chipów komputerowych. Cząstki przechodzące przez tracker pozostawiają elektroniczny sygnał, niczym piksel w cyfrowym aparacie. Cząstki przechodzą tu bez zbędnego zaburzenia, więc detektor ten idealnie nadaje się na obserwację początkowej trajektorii. Łącząc kropki pomiędzy warstwami krzemu, można poznać drogę cząstki. Dzięki temu rozpoznaje się jej pęd i trajektorię po której podążała.

Kalorymetr

Kolejne warstwy są już bardziej destrukcyjne. Aby zmierzyć energię cząstek, trzeba zatrzymać ich ruch. Dlatego po przejściu przez tracker, natrafiają na kalorymetr. Spowalniając cząstkę i absorbując jej energię, kalorymetr pomaga fizyką w obserwacji, jak różne cząstki reagują z materią. Niektóre cząstki szybko się absorbują, a inne podążają w dalsze warstwy kalorymetru. Z tego jak cząstka oddziałuje z materią można się wiele dowiedzieć. Dlatego fizycy szukają kluczowych wzorców, po których identyfikują cząstkę i jej pochodzenie.

Kiedy cząstka taka jak elektron uderzy w kalorymetr, zaczyna się tworzyć mały deszcz cząstek, który nazywa się deszczem elektromagnetycznym. Kiedy cząstki te przechodzą przez kryształy kalorymetru, produkują światło w ilości proporcjonalnej do energii początkowego elektronu. Kalibrując detektor można wywnioskować, że dana ilość światła, która pojawi się w kalorymetrze, odpowiada danej ilości energii cząstki, która uderzyła w kalorymetr na początku.

W tym punkcie detektor pochłania już większość cząstek, które pojawiły się podczas kolizji. Pozostaje jeszcze ostatnia warstwa, detektor mionów.

Detektor Mionów

Mion jest niczym elektron, tylko cięższy. Jeżeli pojawią się jakieś kropki, które można połączyć w tym detektorze, to muszą to być miony, ponieważ nic innego nie jest w stanie zajść tak daleko.

Działanie detektora CMS

Poszczególne warstwy detektora CMS. Źródło: particlecentral.com

Gromadzenie danych

Cząstki przemykające przez te wszystkie detektory są zbyt szybkie, aby obserwować je w czasie rzeczywistym. Kolizje protonów zachodzą z częstotliwością około 40 milionów na sekundę. To stanowczo za dużo danych, aby rejestrować wszystkie wydarzenia z każdej warstwy detektora. Dlatego wybiera się tylko te najbardziej interesujące, za pomocą specjalnego systemu wyzwalającego (ang. trigger system), który w kilka mikrosekund decyduje, co warto zarejestrować, a co zignorować. W efekcie zostaje zarejestrowane kilkaset herców, czyli kilkaset kolizji na sekundę z 40 milionów kolizji na sekundę, które wiemy, że zachodzą w Wielkim Zderzaczu Hadranów.

Nawet taka zredukowana ilość, to jednak ogromna porcja danych do zapisania. Podczas pierwszej tury działalności LHC, sam detektor CMS rejestrował 5 petabajtów danych na rok. Odpowiada to transmisji 2 milionów filmów HD, a oprócz niego dane rejestrowały jeszcze detektory ATLAS, ALICE i LHCb. Zapisywanie odbywa się na dyskach komputerowych, które później są ewentualne wysyłane do naukowców na całym świecie w celu analizy danych.

W pierwszej turze działania LHC odkryto, bozon Higgsa. Teraz jest nadzieja na odkrycie kolejnych cząstek elementarnych takich jak np. ciemna materia lub nowa symetria jak supersymetria, a być może i trafi się zupełnie coś nowego, o czym jeszcze nikt nawet nie pomyślał.

Zostaw komentarz