R. Leitner - ATLAS 1

Projekt ATLAS v České republiceProjekt ATLAS v České republiceR. 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 =1.6 MCHF = 0.5 MCHF0.5 MCHF + + 0.5 MCHF0.5 MCHF + + 0.3 MCHF0.3 MCHF + 0.3 MCHF + 0.3 MCHF

hadronovýhadronový vnitřnívnitřní společnéspolečné vkladvkladkalorimetr TileCalkalorimetr TileCal detektordetektor projektyprojekty za účastníkyza účastníky

Na projektu pracují tři instituce:Na projektu pracují tři instituce:Akademie věd České republikyAkademie věd České republiky — — 30 pracovníků (15 fyziků) 30 pracovníků (15 fyziků) nana Tilecalu Tilecalu a vnitřním a vnitřním det.det.Fyzikální ústav, Ústav teorie informace a automatizaceFyzikální ústav, Ústav teorie informace a automatizace

Karlova univerzitaKarlova univerzita — — 20 pracovníků (10 fyziků) na 20 pracovníků (10 fyziků) na Tilecalu Tilecalu a vnitřním a vnitřním det.det.Matematicko-fyzikální fakultaMatematicko-fyzikální fakulta

České vysoké učení technickéČeské vysoké učení technické— — 15 pracovníků ( 5 fyziků) 15 pracovníků ( 5 fyziků) na vnitřním detektoru, na vnitřním detektoru, Fakulty jaderná a fyzikálně inženýrská, strojní a dopravíFakulty jaderná a fyzikálně inženýrská, strojní a dopraví chlazeníchlazení a a stíněnístínění

V dalším podrobněji o přípravěV dalším podrobněji o přípravě TileCalu,TileCalu, vnitřního detektoru,vnitřního detektoru, chlazení,chlazení, stínění,stínění, trigeru, trigeru, fyzikálního programu a softwarefyzikálního programu a software

R. Leitner - ATLAS 2

ATLAS má velkou šanci objevit chybějicí článek do současného teoretického modelu elementárních částic – Higgsův boson, který hraje podstatnou roli ve vysvětlení hmot intermediálních bosonů.I kdyby byl do doby spuštění experimentu Higgsův boson objeven jinde, dával by ATLAS jedinečnou příležitost k detailnímu prozkoumání jeho vlastností.

ATLAS má také potenciál objevit např. supersymetrické částice, které vystupují v alternativních teoriích, resp. rozšířeních současného “standardního modelu”, studovat projevy struktury částic, které se dnes jeví jako bezstrukturní (elementární fermiony), pátrat po dalších exotických částicích předpovídaných některými teoriemi.

Jak přispěje ATLAS k dalším poznatkům?Jak přispěje ATLAS k dalším poznatkům? Standardní model – částice

Standardní model – interakce

Kromě lákavých exotických možností nabízí ATLAS detailní studium vlastností již známých částic a jejich interakcí, například studium narušeni CP parity, vlastností nedávno objeveného top kvarku atd.

V neposlední řadě je ATLAS jako experiment na přední hranici lidského poznání připraven pozorovat jevy, o kterých nemáme dosud ani netušení.

R. Leitner - ATLAS 3

Jak bude ATLAS vypadat a pracovat?Jak bude ATLAS vypadat a pracovat? Experiment ATLAS bude studovat srážky protonů urychlených budovaným urychlovačem LHC (Large Hadron Collider) na energie 7+7 TeV.

LHC je následníkem existujícího urychlovače LEP v tunelu o délce 27 km. Dosud nedosažené energie budou zpřístupněny použitím supravodivých magnetů a dalších nových technologií.

Každých 25 ns se budou srážet dva shluky protonů tak početné, že dojde v průměru ke 23 srážkám. Úlohou detektoru je zaregistrovat částice vzniklé v těchto srážkách.

R. Leitner - ATLAS 4

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 přitom smontován z 19 submodulů asi 800 kg těžkých.

Výroba submodulů hadronového kalorimetru (TileCal)Výroba submodulů hadronového kalorimetru (TileCal)

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, 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 českými podniky.

R. Leitner - ATLAS 5

I když je produkce “slepených děravých železných bloků” zdánlivě jednoduchá, není tak jednoduché při lepení dodržet rozměrové tolerance, například výšku submodulu291.7 +0.3–1.5 mm)

Odladěná výroba začíná čištěním ocelových desek,

Prague Submodule Average Height

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2 5 8 11 14 17 20 23 26 29 32 35 38 41 44 47 50 53 56 59 62 65 68 71 74 77 80 83 86 89 92

Submodule Seq. NumberD

ev. f

rom

Nom

inal

(mm

)

Ave. Height Min Height. Max. Height

Výroba submodulů TileCaluVýroba submodulů TileCalu

Deformace jedné desky

Chybné stažení před ztuhnutím lepidlaPřes noc v barvě

Pokračuje strojovým nanášením lepidla

poskládáním, ztuhnutím lepidla, svařením slepence a konečně nabar-vením, aby moduly nezrezavěly po následujích nejméně 15 let.

R. Leitner - ATLAS 6

Zdroje vysokého napětí pro fotonásobiče TileCaluZdroje vysokého napětí pro fotonásobiče TileCaluFotonásobiče, které převádějí nicotné světelné signály na elektrické pulsy, potřebují stabilní zdroje vysokého napětíCelkem 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.

Testy prokázaly vysokou stabilitu vyhovující požadavkům experimentu.

Zdroje jsou na dálku ovladatelné ve standardu CANBUS.

Zdroje bude vyrábět TESLA Praha, prototyp hotov v květnu 2000, prvních16+2 jednotek bude dodáno v roce 2001

R. Leitner - ATLAS 7

Směšovače světla pro Směšovače světla pro TileCalTileCal

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 se plánuje výroba 4000 kusů a výroba by měla skončit v prosinci roku 2001

R. Leitner - ATLAS 8

Testování TileCalu na svazkuTestování TileCalu na svazku

Energetické rozlišení (spolupráce elektro-magnetického a hadronového kalorimetru): (41.9%/E+1.8%) 1.8/E Odezva na miony: fit konvolucí Landauova a Gaussova rozdělení

Beam

Masové výrobě sub-modulů předcházelo testování prototypů, nadále pokračuje detailní studium chová-ní konstruovaného detektoru pomocí ozařování částicemi různých energií.

Mionové stěny detekují částice nezastavené kalorimetrem

Ilustrace efektu kontroly

Energie uniklé z kalorimetru:

Testování na svazku již přineslo zajímavé fyzikální výsledky:

Measurements of muon bremstrahlungZ. Phys. C73 (1997) 455

R. Leitner - ATLAS 9

Pixelové detektory pro vnitřní detektorPixelové detektory pro vnitřní detektorPolovodičové detektory, které umožňují zjistit, kterou z mnoha malých plošek (pixelů) prošla nabitá 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 částice, jsou vyvíjeny a testovány ve Fyzikálním ústavu AV. Testovací zařízení ukazuje horní fotografie, zařízení na připojování vodičů k čipům dolní. Vpravo je schéma fotografie, zařízení na připojování vodičů k čipům dolní. Vpravo je schéma „Kdo dělá Co“„Kdo dělá Co“

R. Leitner - ATLAS 10

Pixelové detektory pro vnitřní detektorPixelové detektory pro vnitřní detektorPřední a zadní strana křemíkových desek s pixelovými detektory, vyrobenýmiv podniku Tesla Rožnov. Tesla vyrábí předsérii detektorů.

Napětí průrazu > 150 V

Závěrný proud < 100 nA/cm2

Vyrobené deskysplňují požadavky ATLAS

R. Leitner - ATLAS 11

Stripové detektory (SCT) pro vnitřní detektorStripové detektory (SCT) pro vnitřní detektorPracovníci 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 12

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 napěťových kanálů.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

Zdroje nízkého napětí pro SCT ATLASZdroje nízkého napětí pro SCT ATLAS

R. Leitner - ATLAS 13

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.

Naši pracovníci dlouhodobě pracují na návrhu technologie výroby v Mnichově a Freiburgu.

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 vyso-kého 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. středo-evropské skupině; v rámci celého ATLASu existují ještě dvě další skupiny).

Moduly stripových detektorů (SCT) pro ATLASModuly stripových detektorů (SCT) pro ATLAS

R. Leitner - ATLAS 14

Chlazení vnitřního detektoru ATLASChlazení vnitřního detektoru ATLAS

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 pixelo-vých a SCT detektorů

• bude pokračovat v dalším vývoji chladicího systému a měření jeho funkce

Vnitřní detektor obsahuje značné množství elektroniky, která vyžaduje chlazení. Pražská skupina podstatně přispěla k vývoji systému chlazení.

R. Leitner - ATLAS 15

Pražská skupina z ČVUT je členem atlasovského 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 lithiem ve vnitřním detektoru směřuje k prosazení dodávky tohoto materiálu z ČR.

Neutronové stínění detektoru ATLASNeutronové stínění detektoru ATLAS

Některé výsledky Monte Carlo simulací účinku různého uspořádání neutronového stínění. Neutrony vznikají v hadronové spršce rozvíjející se v železném bloku, do kterého vlétla nabitá částice 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 16

Neutronové stínění detektoru ATLASNeutronové 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, lithiovaného polyetylénu (LiPE) a olova.

Probíhá diskuse, zda je poslední vrstva olova nezbytná.

R. Leitner - ATLAS 17

Prohlížeč objektů

Atlantis Program pro zobrazování událostí (event display) z experimentu ALEPH byl přepsán do jazyka JAVA

WIRED - event display v jazyku JAVA

GraXMLje třídimenzionální event display

JAS - analytické studio v jazyku JAVA

Software pro ATLAS – grafikaPro zobrazování a vyhodnocování experi-mentálních dat je připravován grafický software, pracovník z FzÚ koordinuje vývoj jeho klíčových složek.

R. Leitner - ATLAS 18

Software pro ATLAS - algoritmy triggeruPražská skupina se podílí na vývoji software pro hledání drah v rámci triggeru druhé úrovně a testování hardware triggeru (FPGA, spolupráce s Mannheimem a Saclay) pomocí MC dat nagenerovaných pro rozpad BS

O J/f.

Skupina také vyvíjí nový vlnový algoritmus, obr. ukazuje rekonstrukci drah ve vnější části vnitřního detektoru, v tzv. TRT (Transititon Radiation Tracker).

Ve spolupráci se Saclay testuje skupina použití algoritmů neurálních sítí na odlišení produkce Higgsova bosonu v kanále vedoucím na čtyři jety od pozadí. Algoritmus používá kompletní granularitu kalorimetru.

Analýzy použití neurálních sítí budou rozšířeny na trigger hledající b-jety. Budou-li takové použití neurálních sítí úspěšná, umožní ATLASu efektivnější hledání procesů vedoucích k b-kvarku a následně jetu.

R. Leitner - ATLAS 19

Příprava fyzikálního programu: B-fyzika

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.

1 0-2

1 0-1

1

2 0 3 0 4 0B s m ix in g p aram . x s

CP

viol

atin

g w

eak

phas

e s

N ew P h ysic s exa m p le: L -R sym . M od e l

Sta n d . M o d el

AT L A S 3 d isco very lin e

G o lden p la ted channe l B s-J/ 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 BS

O J/

Předpokladem tohoto studia bylo upřesnění modelů produkce pro energie urychlovače LHC pomocí dat z experimentů CDF a D0.

R. Leitner - ATLAS 20

Fyzika – Spinové korelace t a t kvarkůFyzika – Spinové korelace t a t kvarků

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.

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.

t

t

p pg

g

W+e+(

b

b

W– e–(–)

R. Leitner - ATLAS 21

Fyzika — ověřování a rozvoj QCDFyzika — ověřování a rozvoj QCDOd fundamentální teorie silných interakcí, za kterou se dnes považuje kvantová chromodyna-mika (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.

R. Leitner - ATLAS 22

Počítačová infrastruktura projektu ATLASExperiment 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 roku 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,plánována je pravidelná každoroční modernizace. 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 23

Popularizace projektu ATLASPopularizace projektu ATLASPřispíváme k činnosti popularizační skupiny experimentu ATLAS (například k dokumen-tačnímu systému fotografií, podíleli jsme se na přípravě videofilmu o projektu ATLAS)

Pravidelně konáme přednášky a exkurze pro studenty i učitele o částicové fyzice a speciálně ATLASU

Srozumitelná informace o ATLASu a částicové fyzice je začleněna do nové sady učebnic fyziky pro základní školu Fyzika kolem nás a je veřejnosti dostupná na webových stránkách

http://www-hep.fzu.cz/~rames/outreach/castice.html

R. Leitner - ATLAS 24

ShrnutíShrnutí

• 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.