ATLAS, na jehož ramenou spočívá celý svět

Otázky, zda jsou věci okolo nás složené z něčeho jednoduššího, jak takové základní stavební „cihly“ vypadají a jaké jsou jejich vlastnosti, si klade lidstvo od nepaměti. V současnosti hledá odpověď na tyto otázky fyzika elementárních částic. Od roku 2007 jim bude pomáhat nový detektor ATLAS, na jehož konstrukci se podílejí i čeští vědci a technici. Díky tomu se budou později podílet i na jeho využívání a naši republiku čeká aktivní účast na mezinárodním výzkumu, který velkou měrou přispěje k našemu poznání a vnímání světa kolem nás.

Detektor ATLAS je komplexem několika subdetektorů, jejichž společným cílem je zachytit pokud možno všechny částice vzniklé ve srážce dvou urychlených protonů přilétajících ve svazcích zleva a zprava. Ke srážce dojde uprostřed detektoru a vzniklé částice se rozlétají do všech stran. Hybnosti nabitých částic se určí pomocí zakřivení jejich drah v magnetickém poli – ve vnitřním detektoru a v systému mionových komor.

Laboratoř pod Alpami

Experiment ATLAS bude provádět od roku 2007 Evropská organizace pro jaderný výzkum CERN v Ženevě na novém urychlovači protonů LHC, který se v současnosti buduje. LHC bude umístěn ve 27 kilometrů dlouhém tunelu přibližně 100 metrů pod zemí po obou stranách švýcarsko-francouzské hranice nedaleko Ženevy. Česká republika je jednou z dvaceti členských zemí CERN a čeští vědci se na spolupráci ATLAS intenzivně podílejí. Detektor ATLAS bude mohutné zařízení ve tvaru válce o průměru 22 metrů a délce 44 metrů a bude mít hmotnost 7000 tun. Bude umístěno v mohutné podzemní hale a bude zaznamenávat údaje o částicích vznikajících při 800 milionech srážek urychlených protonů za vteřinu. Tímto způsobem se fyzikové mohou dovědět, jak je uspořádán náš svět na nejzákladnější úrovni – jakými zákony se řídí, z jakých základních „ stavebních kamenů“ se skládá, jaké mezi nimi působí síly a podobně. Experiment ATLAS zcela určitě přispěje ke zjasnění a zostření obrazu, který si současná fyzika udělala o světě nejmenších částic a o zákonitostech, které mu vládnou. Vědci se při něm ale mohou dočkat i mnohých překvapení, najít dosud neznámé částice a učinit objevy, které povedou k novému a dnes jen stěží tušenému pohledu na náš vesmír.

Detektor ATLAS je komplexem několika subdetektorů, jejichž společným cílem je zachytit pokud možno všechny částice vzniklé ve srážce dvou urychlených protonů přilétajících ve svazcích zleva a zprava. Ke srážce dojde uprostřed detektoru a vzniklé částice se rozlétají do všech stran. Hybnosti nabitých částic se určí pomocí zakřivení jejich drah v magnetickém poli – ve vnitřním detektoru a v systému mionových komor.
Laboratoř pod AlpamiExperiment ATLAS bude provádět od roku 2007 Evropská organizace pro jaderný výzkum CERN v Ženevě na novém urychlovači protonů LHC, který se v současnosti buduje. LHC bude umístěn ve 27 kilometrů dlouhém tunelu přibližně 100 metrů pod zemí po obou stranách švýcarsko-francouzské hranice nedaleko Ženevy. Česká republika je jednou z dvaceti členských zemí CERN a čeští vědci se na spolupráci ATLAS intenzivně podílejí. Detektor ATLAS bude mohutné zařízení ve tvaru válce o průměru 22 metrů a délce 44 metrů a bude mít hmotnost 7000 tun. Bude umístěno v mohutné podzemní hale a bude zaznamenávat údaje o částicích vznikajících při 800 milionech srážek urychlených protonů za vteřinu. Tímto způsobem se fyzikové mohou dovědět, jak je uspořádán náš svět na nejzákladnější úrovni – jakými zákony se řídí, z jakých základních „ stavebních kamenů“ se skládá, jaké mezi nimi působí síly a podobně. Experiment ATLAS zcela určitě přispěje ke zjasnění a zostření obrazu, který si současná fyzika udělala o světě nejmenších částic a o zákonitostech, které mu vládnou. Vědci se při něm ale mohou dočkat i mnohých překvapení, najít dosud neznámé částice a učinit objevy, které povedou k novému a dnes jen stěží tušenému pohledu na náš vesmír.

Malé částice, velké přístroje

Chtějí-li fyzikové proniknout do nitra hmoty, nemají jinou možnost než srážet částice urychlené na vysoké energie a pečlivě studovat, co v těchto srážkách vznikne. Možná poněkud paradoxně platí, že čím menší částečky hmoty mají zkoumat, tím vyšší k tomu potřebují energie a tedy i tím větší experimentální zařízení. Postavit taková zařízení vyžaduje náročné plánování, mnohaleté úsilí a širokou mezinárodní spolupráci. ATLAS je dosud největší takovou spolupracující skupinou v historii fyzikálního výzkumu. Na přípravě experimentu se podílí na 2000 fyziků z více než 150 univerzit a laboratoří ze 34 zemí.

Česká účast na experimentu ATLAS

Vědci z České republiky hrají při přípravě experimentu ATLAS významnou roli. Téměř stovka fyziků a inženýrů z Akademie věd ČR, Českého vysokého učení technického a Univerzity Karlovy se zabývá vývojem, stavbou a testováním několika součástí (tzv. subdetektorů) detektoru ATLAS a také přípravou fyzikálního programu. Významnou roli hraje Česká republika zejména při konstrukci hadronového kalorimetru TILECAL, dvou částí vnitřního polovodičového detektoru – pixelového a stripového detektoru a také stínění. Náš vklad do stavby těchto součástí detektoru je významný a komplexní – zahrnuje dodávky důležitých základních komponent českými vědeckými pracovišti a českými firmami, vlastní sestavování a detailní proměřování vlastností ve specializovaných laboratořích, podíl na instalaci v CERN a v budoucnosti i péči o subdetektory a jejich správné fungování během vlastního fyzikálního měření. Čeští vědci tak mají možnost „být při tom“ – od počáteční fáze budování experimentu až po konečnou analýzu naměřených dat a jejich fyzikální interpretaci provádět unikátní výzkum na nejvyšší světové úrovni.

Pixelové detektory pro experiment ATLAS

Prvním detektorem, který „potkají“ částice vyletující ze srážky protonů, budou pixelové křemíkové detektory. Zajistí přesné sledování drah nabitých částic a nalezení souřadnic rozpadů krátce žijících nestabilních částic. Pixelové detektory jsou tvořeny sítí miniaturních buněk – pixelů, ve kterých prolétající částice generuje elektrické signály. Buňky jsou tvořeny speciálními diodami vytvořenými na křemíkovém substrátu o vysokém odporu technologií integrovaných obvodů. Celý detekční systém obsahující více než sto milionů pixelů je velmi kompaktní a funkčně spolehlivý. Značná část použitých postupů a materiálů představuje špičku v současných technologiích. Česká fyzikální pracoviště se podílela na výzkumu a vývoji pixelových detektorů ve spolupráci s CERN a dalšími laboratořemi v Evropě a USA. Česká firma TESLA Sezam, a. s., Rožnov pod Radhoštěm je jedním ze dvou výrobců dodávajících senzory pixelového detektoru. V současné době se pracovníci Fyzikálního ústavu AV ČR mimo jiné podílejí na všestranném testování detekčních charakteristik jednotlivých pixelových senzorů před jejich montáží do detektoru. Vyvíjená detekční technika může mít řadu praktických aplikací v medicíně, biologii, materiálovém výzkumu, ekologii apod.

Příspěvek do SCT

¨ Hned za pixelovými detektory jsou umístěny detektory stripové. Pracují na stejném principu, jen mají jiný tvar detekčních segmentů – jsou to proužky vzdálené od sebe asi desetinu milimetru. Na vývoji a výrobě těchto detektorů se od počátku podílejí všechny české členské instituce ATLAS (AV ČR, ČVUT i UK). V jejich laboratořích se testují vlastní detekční senzory i celé detekční moduly kompletně osazené moderní elektronikou (asi 10 % celkového počtu pro celý experiment). Tyto testy je nutno provádět v prostorech s vysokou čistotou pomocí speciálních metod, z nichž některé byly vyvinuty přímo v Praze. Kromě toho se pracovníci všech tří pracovišť podílejí na instalaci celého detektorového systému přímo v CERN. Pracovníci fyzikálního ústavu AV ČR dále vyvinuli napájecí zdroje nízkého napětí pro vyhodnocovací elektroniku a jejich výroba bude pravděpodobně zadána české firmě.

TILECAL – hadronový kalorimetr experimentu ATLAS

Hadronový kalorimetr TILECAL je část detektoru ATLAS, která měří energii nabitých i neutrálních částic. K měření energie dochází až po přesném změření drah nabitých částic ve vnitřním detektoru, protože v kalorimetru jsou částice při měření pohlceny. Kalorimetr TILECAL je tvořen periodickou strukturou vrstev oceli jako absorbátoru proložených vrstvami scintilátoru v roli citlivého média, které registruje částice vzniklé při hadronové spršce. Scintilátor má podobu dlaždic, které daly kalorimetru jméno. Částice po vstupu do ocelové vrstvy hadronového kalorimetru interagují s atomy železa, přitom vznikají nové částice se stále nižší energií, až dojde k absorpci všech částic. Při průchodu nabitých částic scintilátorem vznikají světelné záblesky, které jsou zaregistrovány. Ze získaných signálů je možno určit energii částice či skupiny částic (tzv. „jetu“), které původně vstoupily do kalorimetru. Kalorimetr se skládá kromě již popsaných komponent ještě z optických vláken pro přenos signálu a směšovačů světla umístěných před fotonásobiči, které převedou světelný signál na elektrický, a elektroniky, pomocí níž jsou signály zesíleny, vyhodnoceny a předány k zaznamenání. Hadronový kalorimetr TILECAL byl postaven v 7 laboratořích v Evropě a Americe. Válcovaná ocel s tloušťkou 4 a 5 mm vyrobená s přesností na 45 mikrometrů byla pro celý kalorimetr dodána z Válcoven za studena v Králově Dvoře a ražení do požadovaných tvarů proběhlo na lisech v továrně Tatra Kopřivnice. Úkolem české skupiny bylo vyrobit jednu čtvrtinu centrální části hadronového kalorimetru TILECAL, což je 309 tzv. submodulů, každý o váze asi 1 t. Celý hadronový kalorimetr TILECAL váží 3000 tun a je tvořen třemi ležícími dutými válci o vnějším průměru 4mm a celkové délce 9 m. Při výrobě submodulů byly připravené ocelové pláty sestaveny a slepeny ve speciální formě a do rohů submodulů byly navařeny ocelové hranoly. Submoduly byly sestaveny do modulů (20 t) v laboratoři v Dubně. Hotové moduly jsou pak v CERN osazeny scintilátory, optickými vlákny a elektronikou. Pražská skupina vyrobila také 10 400 kusů směšovačů světla – přesných optických hranolů a ve spolupráci s dalšími laboratořemi vyvinula a vyrobila zdroje vysokého i nízkého napětí pro napájení fotonásobičů a elektroniky.

Stínění

Pro detektor ATLAS byl přijat návrh stínění připravený skupinou pracovníků ČVUT. Vedení projektu ATLAS pověřilo tuto skupinu zajištěním výroby stínících elementů (litinové odlitky o celkové hmotnosti 700 tun, polyetylen s příměsí bóru a ocelový plášť) a dvou zvedacích stolů. V nedávné době byla ve Škodě Steel, dceřiné společnosti Škoda Holding, předána zástupcům projektu ATLAS první část (4 díly) litinových odlitků. Hodnota kontraktu na výrobu litinových odlitků činí 29 milionů Kč. Celé stínění bude vyrobeno v ČR do konce roku 2004 a v roce 2005 nainstalováno v podzemní hale detektoru ATLAS v CERN.

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *