Eksperyment ALICE - ALICE experiment

Współrzędne : 46° 15′04.8″N 6°01′12.5″E / 46.251333°N 6.020139°E / 46.251333; 6.020139

ALICE, eksperyment z dużym zderzaczem jonów
ALICE all.jpg
Ogólny widok detektora ALICE
Tworzenie List intencyjny złożony w lipcu 1993 r.
Siedziba Genewa , Szwajcaria
Lista rzeczników prasowych ALICE
Luciano Musa
Federico Antinori
Paolo Giubellino
Jurgen Schukraft
Strona internetowa http://aliceinfo.cern.ch/
Wielki Zderzacz Hadronów
(LHC)
LHC.svg
Eksperymenty LHC
ATLAS Toroidalny aparat LHC
CMS Kompaktowy elektrozawór mionowy
LHCb LHC-piękno
ALICE Eksperyment z dużym zderzaczem jonów
TOTEM Całkowity przekrój, rozproszenie sprężyste i dysocjacja dyfrakcyjna
LHCf LHC-do przodu
MoEDAL Detektor monopoli i egzotyków w LHC
FASER Eksperyment wyszukiwania do przodu
SND Detektor rozproszenia i neutrin
Preakceleratory LHC
p i Pb Akceleratory liniowe dla protonów (Linac 4) i ołowiu (Linac 3)
(nieoznaczony) Wzmacniacz synchrotronu protonowego
PS Synchrotron protonowy
SPS Super synchrotron protonowy

ALICE ( A Large Ion Collider Experiment ) jest jednym z ośmiu eksperymentów detektorowych w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN . Pozostałe siedem to: ATLAS , CMS , TOTEM , LHCb , LHCf , MoEDAL i FASER .

Wstęp

Wygenerowany komputerowo wycięty widok ALICE przedstawiający 18 detektorów eksperymentu.

ALICE jest zoptymalizowany do badania zderzeń ciężkich jonów ( jąder Pb-Pb ) w centrum masy o energii do 5,02 TeV na parę nukleonów . Uzyskana temperatura i gęstość energii umożliwiają eksplorację plazmy kwarkowo-gluonowej , piątego stanu materii, w którym kwarki i gluony są uwolnione. Uważa się, że podobne warunki istniały ułamek sekundy po Wielkim Wybuchu, zanim kwarki i gluony połączyły się, tworząc hadrony i cięższe cząstki.

ALICE koncentruje się na fizyce silnie oddziałującej materii przy ekstremalnych gęstościach energii. Własności plazmy kwarkowo-gluonowej i zrozumienie sposobu rozgraniczenia kwarków są kluczowymi zagadnieniami w chromodynamice kwantowej (QCD). Wyniki uzyskane przez ALICE potwierdzają zrozumienie ograniczania kolorów i przywracania symetrii chiralnej . Oczekuje się, że odtworzenie pierwotnej formy materii, plazmy kwarkowo-gluonowej , oraz zrozumienie, w jaki sposób ewoluuje, rzuci światło na pytania dotyczące organizacji materii, mechanizmu ograniczającego kwarki i gluony oraz natury oddziaływań silnych i tego, w jaki sposób prowadzą one do generowania większość masy zwykłej materii.

Chromodynamika kwantowa (QCD) przewiduje, że przy wystarczająco wysokich gęstościach energii nastąpi przejście fazowe z konwencjonalnej materii hadronowej, w której kwarki są zamknięte w cząstkach jądrowych, do plazmy z nieograniczonych kwarków i gluonów. Uważa się, że odwrócenie tego przejścia miało miejsce, gdy Wszechświat miał zaledwie 10-6 lat i nadal może odgrywać rolę w sercach zapadających się gwiazd neutronowych lub innych obiektów astrofizycznych.

Historia

Pomysł zbudowania dedykowanego detektora ciężkich jonów dla LHC został po raz pierwszy przedstawiony na historycznym spotkaniu Evian „W kierunku programu eksperymentalnego LHC” w marcu 1992 roku. Odsetki zostały zgłoszone.

ALICE został po raz pierwszy zaproponowany jako detektor centralny w 1993 roku, a później uzupełniony dodatkowym spektrometrem mionowym do przodu zaprojektowanym w 1995 roku. W 1997 roku ALICE otrzymało zielone światło od Komitetu LHC, aby przystąpić do ostatecznego projektu i budowy.

Pierwsze dziesięć lat spędziliśmy na projektowaniu i szeroko zakrojonych pracach badawczo-rozwojowych. Podobnie jak w przypadku wszystkich innych eksperymentów LHC, od samego początku stało się jasne, że również wyzwaniom fizyki ciężkich jonów w LHC nie można sprostać (ani zapłacić) za pomocą istniejącej technologii. Aby zbudować na ziemi to, co fizycy wymyślili na papierze do swoich eksperymentów, potrzebne byłyby znaczne postępy, aw niektórych przypadkach przełom technologiczny. Początkowo bardzo szeroki, a później bardziej skoncentrowany, dobrze zorganizowany i dobrze wspierany wysiłek badawczo-rozwojowy, który utrzymywał się przez większość lat 90., doprowadził do wielu ewolucyjnych i rewolucyjnych postępów w detektorach, elektronice i informatyce.

Zaprojektowanie dedykowanego eksperymentu z ciężkimi jonami we wczesnych latach 90. do użytku w LHC jakieś 15 lat później stanowiło pewne zniechęcające wyzwania. Detektor musiał być przeznaczony do celów ogólnych – zdolny do pomiaru większości potencjalnych sygnałów, nawet jeśli ich znaczenie może ujawnić się dopiero później – oraz elastyczny, umożliwiający dodawanie i modyfikacje w miarę otwierania się nowych ścieżek dochodzenia. W obu aspektach ALICE poradziła sobie całkiem nieźle, ponieważ w swoim początkowym menu zawierała szereg obserwacji, których znaczenie stało się jasne dopiero później. Dodano różne główne systemy detekcji, od spektrometru mionowego w 1995 r., detektorów promieniowania przejścia w 1999 r., po kalorymetr z dużym strumieniem dodany w 2007 r.

ALICE zarejestrowała dane z pierwszych zderzeń ołowiu z ołowiem w LHC w 2010 r. Zestawy danych zebrane podczas okresów występowania ciężkich jonów w latach 2010 i 2011, a także dane protonowo-ołowiowe z 2013 r. stanowiły doskonałą podstawę do dogłębnego spojrzenia na fizyka plazmy kwarkowo-gluonowej.

Stan na 2014 r. Po ponad trzech latach pomyślnego działania detektor ALICE ma przejść poważny program konsolidacji i modernizacji podczas długiego przestoju [LS1] kompleksu akceleratorów CERN. Zostanie zainstalowany nowy poddetektor zwany kalorymetrem dijet (DCAL), a wszystkie 18 istniejących poddetektorów ALICE zostanie zmodernizowanych. Przeprowadzone zostaną również gruntowne prace remontowe infrastruktury ALICE, w tym instalacji elektrycznej i chłodniczej. Bogactwo opublikowanych wyników naukowych i bardzo intensywny program modernizacji ALICE przyciągnęły liczne instytuty i naukowców z całego świata. Dziś współpraca ALICE liczy ponad 1800 członków pochodzących ze 176 instytutów w 41 krajach

Zderzenia ciężkich jonów w LHC

Poszukiwania plazmy kwarkowo-gluonowej i głębsze zrozumienie QCD rozpoczęły się w CERN i Brookhaven od lżejszych jonów w latach 80-tych. Dzisiejszy program w tych laboratoriach przeniósł się do ultrarelatywistycznych zderzeń ciężkich jonów i właśnie osiąga próg energii, przy którym spodziewane jest przejście fazowe. LHC, z energią środka masy około 5,5 TeV/nukleon, zwiększy zasięg energii jeszcze dalej.

Podczas czołowego zderzenia jonów ołowiu w LHC setki protonów i neutronów zderzają się ze sobą przy energiach powyżej kilku TeV. Jony ołowiu są przyspieszane do ponad 99,9999% prędkości światła, a zderzenia w LHC są 100 razy bardziej energetyczne niż protony - podgrzewając materię w punkcie oddziaływania do temperatury prawie 100 000 razy wyższej niż temperatura w jądrze słońce.

Kiedy dwa ołowiane jądra zderzają się ze sobą, materia przechodzi przemianę, by na krótką chwilę uformować kropelkę pierwotnej materii, tak zwaną plazmę kwarkowo-gluonową, która, jak się uważa, wypełniła wszechświat kilka mikrosekund po Wielkim Wybuchu.

Plazma kwarkowo-gluonową powstaje jak protony i neutrony „topić” w swoich elementarnych składników, kwarki i gluony stają się asymptotycznie swobodna. Kropelka QGP natychmiast się ochładza, a poszczególne kwarki i gluony (łącznie zwane partonami ) łączą się w zamieć zwykłej materii, która przyspiesza we wszystkich kierunkach. Szczątki zawierają cząstki takie jak piony i kaony , które są zbudowane z kwarku i antykwarku ; protony i neutrony zbudowane z trzech kwarków; a nawet obfite antyprotony i antyneutrony , które mogą łączyć się, tworząc jądra antyatomów ciężkich jak hel. Wiele można się nauczyć, badając rozmieszczenie i energię tych szczątków.

Pierwsze kolizje ołowiu-ołowiu

Jedno z pierwszych zderzeń jonów ołowiu w LHC, zarejestrowane przez detektor ALICE.

Wielki Zderzacz Hadronów rozbił swoje pierwsze jony ołowiu w 2010 roku, 7 listopada około godziny 12.30 czasu środkowoeuropejskiego.

Pierwsze zderzenia w centrum detektorów ALICE, ATLAS i CMS miały miejsce niecałe 72 godziny po tym, jak LHC zakończył pierwszy przebieg protonów i przełączył się na przyspieszanie wiązek ołowiowo-jonowych. Każde jądro ołowiu zawiera 82 protony, a LHC przyspiesza każdy proton do energii 3,5 TeV, co daje energię 287 TeV na wiązkę, czyli całkowitą energię zderzenia 574 TeV.

Z każdego zderzenia wyemitowano do 3000 naładowanych cząstek, pokazanych tutaj jako linie promieniujące z punktu zderzenia. Kolory linii wskazują, ile energii każda cząstka uniosła w wyniku zderzenia.

Zderzenia protonowo-ołowiowe w LHC

Zderzenie jonów protonowo-ołowiowych zarejestrowane w eksperymencie ALICE 13 września 2012 r. w centrum masy o energii 5,02 TeV na zderzającą się parę nukleon-nukleon.

W 2013 r. LHC zderzył protony z jonami ołowiu w pierwszych wiązkach fizycznych LHC w 2013 r. Eksperyment przeprowadzono przez przeciwbieżne obracanie wiązek protonów i jonów ołowiu i rozpoczęto od wyśrodkowanych orbit o różnych częstotliwościach obrotowych , a następnie oddzielnie podniesiono do maksymalna energia zderzenia akceleratora.

Pierwsze uruchomienie protonu ołowiowego w LHC trwało miesiąc, a dane pomagają fizykom z ALICE oddzielić wpływ plazmy od efektów wynikających z efektów zimnej materii jądrowej i rzucić więcej światła na badania plazmy kwarkowo-gluonowej.

W przypadku zderzeń ołowiu z ołowiem konfiguracje kwarków i gluonów tworzących protony i neutrony nadchodzącego jądra ołowiu mogą być nieco inne niż w nadchodzących protonach. Aby zbadać, czy część efektów, które obserwujemy porównując zderzenia ołów-ołów i proton-proton wynika z tej różnicy konfiguracji, a nie z tworzenia plazmy. Zderzenia proton-ołów są idealnym narzędziem do tego badania.

Czujki ALICE

Kluczowym zagadnieniem projektowym ALICE jest możliwość badania QCD i (de)zamknięcia kwarków w tych ekstremalnych warunkach. Odbywa się to za pomocą cząstek powstających wewnątrz gorącej objętości w miarę jej rozszerzania się i stygnięcia, które żyją wystarczająco długo, aby dotrzeć do wrażliwych warstw detektora znajdujących się wokół obszaru oddziaływania. Program fizyki ALICE polega na możliwości zidentyfikowania ich wszystkich, tj. określenia, czy są to elektrony, fotony, piony itp. oraz określenia ich ładunku. Wiąże się to z maksymalnym wykorzystaniem (czasem nieco) różnych sposobów interakcji cząstek z materią.

W „tradycyjnym” eksperymencie cząstki są identyfikowane lub przynajmniej przypisywane do rodzin (naładowanych lub neutralnych hadronów ) na podstawie charakterystycznych sygnatur, które pozostawiają w detektorze. Eksperyment jest podzielony na kilka głównych komponentów, a każdy komponent testuje określony zestaw właściwości cząstek. Składniki te układane są w warstwy, a cząstki przechodzą przez warstwy sekwencyjnie od punktu zderzenia na zewnątrz: najpierw układ śledzący, następnie elektromagnetyczny (EM) i kalorymetr hadronowy, a na końcu układ mionowy. Detektory są osadzone w polu magnetycznym w celu wygięcia torów naładowanych cząstek w celu określenia pędu i ładunku . Ta metoda identyfikacji cząstek sprawdza się tylko w przypadku niektórych cząstek i jest wykorzystywana na przykład w dużych eksperymentach LHC ATLAS i CMS . Jednak ta technika nie nadaje się do identyfikacji hadronów, ponieważ nie pozwala na rozróżnienie różnych naładowanych hadronów, które powstają w zderzeniach Pb-Pb.

W celu zidentyfikowania wszystkich cząstek wychodzących z systemu QGP ALICE używa zestawu 18 detektorów, które dostarczają informacji o masie, prędkości i znaku elektrycznym cząstek.

Śledzenie lufy

Zespół detektorów cylindrycznych, które otaczają nominalny punkt oddziaływania, służy do śledzenia wszystkich cząstek, które wylatują z gorącego, gęstego ośrodka. Wewnętrzny system śledzenia (ITS) (składający się z trzech warstw detektorów: Silicon Pixel Detector (SPD), Silicon Drift Detector (SDD), Silicon Strip Detector (SSD)), Time Projection Chamber (TPC) i Transition Radiation Detector ( TRD) mierzą w wielu punktach przejście każdej cząstki niosącej ładunek elektryczny i dostarczają dokładnych informacji o trajektorii cząstki. Detektory śledzenia beczek ALICE są osadzone w polu magnetycznym 0,5 Tesli, wytwarzanym przez ogromny magnetyczny solenoid zaginający trajektorie cząstek. Z krzywizny torów można wywnioskować ich pęd. ITS jest tak precyzyjny, że cząstki, które powstają w wyniku rozpadu innych cząstek o długim czasie życia (~1 mm przed rozpadem) można zidentyfikować, widząc, że nie pochodzą one z punktu, w którym zaszło oddziaływanie ( " wierzchołek " zdarzenia), ale raczej z punktu w odległości zaledwie jednej dziesiątej milimetra. To pozwala nam zmierzyć, na przykład, kwarki dolne, które rozpadają się na stosunkowo długowieczny mezon B poprzez „topologiczne” nacięcia.

Wewnętrzny system śledzenia

Instalacja wewnętrznego systemu śledzenia ALICE

Krótko żyjące ciężkie cząstki pokonują bardzo małą odległość przed rozkładem. System ten ma na celu zidentyfikowanie tych zjawisk rozpadu poprzez pomiar miejsca ich występowania z dokładnością do jednej dziesiątej milimetra.

Wewnętrzny system śledzenia (ITS) składa się z sześciu cylindrycznych warstw detektorów krzemowych . Warstwy otaczają punkt zderzenia i mierzą właściwości cząstek wyłaniających się ze zderzeń, wskazując ich położenie przejścia z dokładnością do ułamka milimetra. Za pomocą ITS można zidentyfikować cząstki zawierające ciężkie kwarki (wdzięk i piękno), rekonstruując współrzędne, w których ulegają rozpadowi.

Warstwy ITS (licząc od punktu interakcji):

ITS został umieszczony w samym sercu eksperymentu ALICE w marcu 2007 r. po dużej fazie prac badawczo-rozwojowych. Wykorzystując najmniejsze ilości najlżejszego materiału, ITS został wykonany tak lekki i delikatny, jak to tylko możliwe. Z prawie 5 m 2 dwustronnych detektorów pasków krzemowych i ponad 1 m 2 detektorów dryfu krzemu, jest to największy system wykorzystujący oba typy detektorów krzemowych.

ALICE niedawno przedstawiła plany zmodernizowanego wewnętrznego systemu śledzenia, oparte głównie na zbudowaniu nowego krzemowego trackera o znacznie ulepszonych funkcjach w zakresie określania parametru uderzenia (d0) do pierwotnego wierzchołka, wydajności śledzenia przy niskim pT i możliwości odczytu. Zmodernizowany system ITS otworzy nowe kanały w badaniu plazmy kwarkowo-gluonowej utworzonej w LHC, które są niezbędne do zrozumienia dynamiki tej skondensowanej fazy QCD.

Umożliwi to badanie procesu termalizacji ciężkich kwarków w ośrodku poprzez pomiar ciężkich barionów aromatyzowanych i upiększających oraz po raz pierwszy rozszerzenie tych pomiarów do bardzo niskiego p T. Pozwoli to również lepiej zrozumieć zależność utraty energii w medium od masy kwarków i zaoferuje unikalną możliwość pomiaru kwarków piękności, jednocześnie poprawiając rekonstrukcję wierzchołków rozpadu urody. Wreszcie zmodernizowany system ITS da nam szansę scharakteryzowania promieniowania cieplnego pochodzącego z QGP oraz modyfikacji hadronowych funkcji spektralnych w ośrodku w odniesieniu do przywracania symetrii chiralnej .

Projekt modernizacji wymaga od naszych badaczy i współpracowników na całym świecie szeroko zakrojonych prac badawczo-rozwojowych nad najnowocześniejszymi technologiami: czujnikami krzemowymi, elektroniką małej mocy, technologiami połączeń i pakowania, ultralekkimi konstrukcjami mechanicznymi i jednostkami chłodzącymi.

Komora projekcji czasu

Komora projekcji czasu ALICE używana do śledzenia i identyfikacji cząstek.

ALICE Time Projection Chamber (TPC) to duża objętość wypełniona gazem jako medium detekcyjnym i jest głównym urządzeniem śledzącym cząstki w ALICE.

Naładowane cząstki przechodzące przez gaz TPC jonizują atomy gazu na swojej drodze, uwalniając elektrony, które dryfują w kierunku płytek końcowych detektora. Charakterystyki procesu jonizacji spowodowanej szybkim przechodzeniem naładowanych cząstek przez medium można wykorzystać do identyfikacji cząstek. Zależność siły jonizacji od prędkości jest powiązana ze znaną formułą Bethe-Blocha , która opisuje średnie straty energii naładowanych cząstek w wyniku niesprężystych zderzeń kulombowskich z elektronami atomowymi ośrodka.

Jako medium detekcji często stosuje się wieloprzewodowe liczniki proporcjonalne lub liczniki półprzewodnikowe, ponieważ dostarczają sygnały o wysokości impulsu proporcjonalnej do siły jonizacji. Efekt lawinowy w pobliżu drutów anodowych nawleczone na odczyt komór daje niezbędną wzmocnienie sygnału. Dodatnie jony wytworzone w lawinie indukują dodatni sygnał prądowy na płaszczyźnie podkładki. Odczytu dokonuje się za pomocą 557 568 padów, które tworzą płaszczyznę katodową wielodrutowych komór proporcjonalnych ( MWPC ) umieszczonych na płytach końcowych. Daje to promieniową odległość do wiązki i azymut. Ostatnia współrzędna, z wzdłuż kierunku wiązki, jest określona przez czas dryfu. Ponieważ wahania strat energii mogą być znaczne, na ogół wiele pomiarów wysokości impulsów jest wykonywanych wzdłuż toru cząstek w celu optymalizacji rozdzielczości pomiaru jonizacji.

Prawie cała objętość TPC jest wrażliwa na przemieszczające się naładowane cząstki, ale charakteryzuje się minimalnym budżetem materiałowym. Proste rozpoznawanie wzorców (ciągłe ślady) sprawia, że ​​TPC to doskonały wybór w środowiskach o wysokiej liczebności, takich jak zderzenia ciężkich jonów, gdzie tysiące cząstek muszą być śledzone jednocześnie. Wewnątrz ALICE TPC siła jonizacji wszystkich ścieżek jest próbkowana do 159 razy, co daje rozdzielczość pomiaru jonizacji sięgającą 5%.

Detektor promieniowania przejścia

Ukończony detektor ALICE pokazujący osiemnaście modułów TRD (pryzmaty trapezowe w układzie promieniowym).

Elektrony i pozytony można odróżnić od innych naładowanych cząstek z zastosowaniem emisji promieniowania przejściowego , promieni rentgenowskich emitowanych gdy cząstki przekroczenie wielu warstw cienkich materiałów.

Identyfikację elektronów i pozytonów uzyskuje się za pomocą detektora promieniowania przejścia (TRD). W podobny sposób jak spektrometr mionowy, system ten umożliwia szczegółowe badania wytwarzania rezonansów wektor-mezon, ale z rozszerzonym pokryciem do światła wektor-mezon ρ iw innym obszarze szybkości. Poniżej 1 GeV/c elektrony mogą być identyfikowane poprzez kombinację pomiarów detektora identyfikacji cząstek (PID) w TPC i czasu lotu (TOF). W zakresie pędów 1–10 GeV/c można wykorzystać fakt, że elektrony mogą wytwarzać TR podczas podróży przez dedykowany „promiennik”. Wewnątrz takiego radiatora szybko naładowane cząstki przekraczają granice między materiałami o różnych stałych dielektrycznych, co może prowadzić do emisji fotonów TR o energiach w zakresie promieniowania rentgenowskiego. Efekt jest niewielki, a promiennik musi zapewnić wiele setek granic materiału, aby uzyskać wystarczająco duże prawdopodobieństwo wytworzenia przynajmniej jednego fotonu. W ALICE TRD fotony TR są wykrywane tuż za promiennikiem za pomocą MWPC wypełnionych mieszaniną gazów na bazie ksenonu, gdzie umieszczają swoją energię na sygnałach jonizacji z toru cząstki.

ALICE TRD został zaprojektowany w celu uzyskania szybkiego wyzwalania dla naładowanych cząstek o dużym pędzie i może znacznie zwiększyć rejestrowane uzyski mezonów wektorowych. W tym celu bezpośrednio w detektorze zainstalowano 250 000 procesorów, które identyfikują kandydatów do ścieżek o dużym pędzie i jak najszybciej analizują związane z nimi nagromadzenie energii (podczas gdy sygnały są nadal tworzone w detektorze). Informacje te są wysyłane do globalnej jednostki śledzącej, która łączy wszystkie informacje w celu wyszukania par ścieżek elektron-pozyton w ciągu zaledwie 6 μs.

Aby opracować taki detektor promieniowania przejścia (TRD) dla ALICE, przetestowano wiele prototypów detektorów w mieszanych wiązkach pionów i elektronów.

Identyfikacja cząstek za pomocą ALICE

ALICE chce również poznać tożsamość każdej cząstki, niezależnie od tego, czy jest to elektron, proton, kaon czy pion.

Naładowane hadrony (w rzeczywistości wszystkie stabilne cząstki naładowane) są jednoznacznie identyfikowane, jeśli określa się ich masę i ładunek. Masę można wywnioskować z pomiarów pędu i prędkości. Pęd i znak ładunku uzyskuje się mierząc krzywiznę toru cząstki w polu magnetycznym. Do wyznaczenia prędkości cząstek istnieją cztery metody oparte na pomiarach czasu przelotu i jonizacji oraz na detekcji promieniowania przejścia i promieniowania Czerenkowa. Każda z tych metod działa dobrze w różnych zakresach pędów lub dla określonych typów cząstek. W ALICE wszystkie te metody można łączyć w celu pomiaru np. widm cząstek.

Oprócz informacji dostarczanych przez ITS i TPC potrzebne są bardziej wyspecjalizowane detektory: TOF mierzy z dokładnością lepszą niż jedna dziesiąta miliardowej sekundy czas, jaki zabiera każdej cząstce podróż z wierzchołka, aby do niego dotrzeć, aby można było zmierzyć jego prędkość. Detektor identyfikacji cząstek o wysokim pędzie (HMPID) mierzy słabe wzorce światła generowane przez szybkie cząstki, a TRD mierzy specjalne promieniowanie, które bardzo szybkie cząstki emitują podczas przechodzenia przez różne materiały, umożliwiając w ten sposób identyfikację elektronów. Miony mierzy się wykorzystując fakt, że penetrują one materię łatwiej niż większość innych cząstek: w przednim obszarze bardzo gruby i złożony absorber zatrzymuje wszystkie inne cząstki, a miony są mierzone przez dedykowany zestaw detektorów: spektrometr mionowy.

Czas lotu

Naładowane cząstki są identyfikowane w ALICE przez Time-of-Flight (TOF). Pomiary TOF dają prędkość naładowanej cząstki poprzez pomiar czasu lotu na danej odległości wzdłuż trajektorii toru. Wykorzystując informacje o śledzeniu z innych detektorów, każda ścieżka odpalająca czujnik jest identyfikowana. Zakładając, że znany jest również pęd, z tych pomiarów można wyprowadzić masę cząstki. Detektor ALICE TOF to wielkopowierzchniowy detektor oparty na wieloszczelinowych komorach rezystancyjnych (MRPC), które pokrywają cylindryczną powierzchnię 141 m 2 , o promieniu wewnętrznym 3,7 metra (12 stóp). Na dużej powierzchni 150 m 2 rozmieszczonych jest około 160 000 padów MRPC o rozdzielczości czasowej około 100 ps .

MRPC to detektory z równoległymi płytami zbudowane z cienkich arkuszy standardowego szkła okiennego, które tworzą wąskie szczeliny gazowe o silnych polach elektrycznych. Płyty te są oddzielone za pomocą żyłek wędkarskich, aby zapewnić pożądany odstęp; Aby uzyskać skuteczność wykrywania bliską 100%, potrzeba 10 przerw gazowych na MRPC.

Prostota konstrukcji pozwala na zbudowanie dużego systemu o ogólnej rozdzielczości TOF 80 ps przy stosunkowo niskich kosztach (CERN Courier listopad 2011 p8). Ta wydajność pozwala na separację kaonów, pionów i protonów do momentu kilku GeV/c. Połączenie takiego pomiaru z informacjami PID z ALICE TPC okazało się przydatne w poprawie separacji między różnymi typami cząstek, jak pokazano na rysunku 3 dla określonego zakresu pędu.

Detektor identyfikacji cząstek o dużym pędzie

Detektor HMPID przed ostateczną instalacją wewnątrz magnesu ALICE.

High Momentum Particle Identification Detector (HMPID) to detektor RICH do określania prędkości cząstek poza zakresem pędu dostępnym poprzez utratę energii (w ITS i TPC, p  = 600 MeV) oraz przez pomiary czasu przelotu (w TOF, p  = 1,2–1,4 GeV).

Promieniowanie Czerenkowa to fala uderzeniowa powstająca w wyniku naładowanych cząstek poruszających się przez materiał szybciej niż prędkość światła w tym materiale. Promieniowanie rozchodzi się pod charakterystycznym kątem względem toru cząstki, który zależy od prędkości cząstki. Detektory Czerenkowa wykorzystują ten efekt i generalnie składają się z dwóch głównych elementów: promiennika, w którym wytwarzane jest promieniowanie Czerenkowa oraz detektora fotonowego. Detektory Czerenkowa do obrazowania pierścieniowego (RICH) rozdzielają obraz w kształcie pierścienia skupionego promieniowania Czerenkowa, umożliwiając pomiar kąta Czerenkowa, a tym samym prędkości cząstek. To z kolei wystarcza do określenia masy naładowanej cząstki.

Jeśli stosuje się gęsty ośrodek (duży współczynnik załamania), do wyemitowania wystarczającej liczby fotonów Czerenkowa wymagana jest tylko cienka warstwa radiatora rzędu kilku centymetrów. Detektor fotonów jest następnie umieszczany w pewnej odległości (zwykle około 10 cm) za promiennikiem, dzięki czemu stożek światła rozszerza się i tworzy charakterystyczny obraz w kształcie pierścienia. Takie zbliżeniowe ogniskowanie RICH jest zainstalowane w eksperymencie ALICE.

Zakres pędu ALICE HMPID wynosi do 3 GeV dla rozróżniania pionów/ kaonów i do 5 GeV dla rozróżniania kaonów/ protonów . Jest to największy na świecie detektor RICH z jodkiem cezu o powierzchni aktywnej 11 m². Prototyp został pomyślnie przetestowany w CERN w 1997 roku i obecnie pobiera dane ze Zderzacza Ciężkich Jonów Relatywistycznych w Brookhaven National Laboratory w USA.

Kalorymetry

Kalorymetry mierzą energię cząstek i określają, czy mają one oddziaływania elektromagnetyczne czy hadronowe. Identyfikacja cząstek w kalorymetrze jest pomiarem niszczącym. Wszystkie cząstki, z wyjątkiem mionów i neutrin, oddają całą swoją energię w systemie kalorymetru, wytwarzając strumienie elektromagnetyczne lub hadronowe. Fotony, elektrony i pozytony całą swoją energię oddają w kalorymetrze elektromagnetycznym. Ich deszcze są nie do odróżnienia, ale foton można rozpoznać po nieistnieniu śladu w systemie śledzenia, który jest powiązany z deszczem.

Fotony (cząstki światła), podobnie jak światło emitowane z gorącego obiektu, mówią nam o temperaturze układu. Aby je zmierzyć, potrzebne są specjalne detektory: kryształy PHOS, które są tak gęste jak ołów i tak przezroczyste jak szkło, mierzą je z fantastyczną precyzją w ograniczonym obszarze, podczas gdy PMD, a w szczególności EMCal, mierzą je ponad bardzo szeroki obszar. EMCal będzie również mierzyć grupy bliskich cząstek (zwanych „dżetami”), które pamiętają wczesne fazy zdarzenia.

Spektrometr fotonowy

Technologia masowej produkcji kryształów PWO została opracowana w ścisłej współpracy między CERN, zakładem Apatity i RRC "Instytut Kurczatowa".

PHOS to wysokorozdzielczy kalorymetr elektromagnetyczny zainstalowany w ALICE w celu dostarczania danych do testowania właściwości termicznych i dynamicznych początkowej fazy zderzenia. Odbywa się to poprzez pomiar fotonów wychodzących bezpośrednio z kolizji. PHOS obejmuje ograniczoną domenę akceptacji z centralną szybkością. Wykonany jest z kryształów wolframianu ołowiu , podobnych do tych stosowanych przez CMS, odczytywanych za pomocą fotodiod lawinowych (APD).

Kiedy fotony o wysokiej energii uderzają w wolframian ołowiu, powodują jego świecenie lub scyntylację, a to świecenie można zmierzyć. Wolframian ołowiu jest niezwykle gęsty (gęstszy niż żelazo), zatrzymując większość fotonów, które do niego docierają. Kryształy są utrzymywane w temperaturze 248 K, co pomaga zminimalizować pogorszenie rozdzielczości energetycznej z powodu szumu i zoptymalizować odpowiedź dla niskich energii.

Kalorymetr elektromagnetyczny

EMCal to kalorymetr próbkujący ze scyntylatorem ołowiowym, składający się z prawie 13 000 pojedynczych wież pogrupowanych w dziesięć supermodułów. Wieże są odczytywane za pomocą światłowodów zmieniających długość fali w geometrii szaszłyka sprzężonych z fotodiodą lawinową. Kompletny EMCal będzie zawierał 100 000 pojedynczych płytek scyntylacyjnych i 185 kilometrów światłowodów o łącznej wadze około 100 ton.

EMCal obejmuje prawie całą długość komory projekcji czasu ALICE i detektora centralnego, a jedną trzecią jej azymutu umieszczoną tyłem do siebie ze spektrometrem fotonowym ALICE – mniejszym kalorymetrem ołowiowo-wolframowym o dużej granulacji.

Supermoduły są umieszczone w niezależnej ramie nośnej umieszczonej w magnesie ALICE, pomiędzy licznikami czasu przelotu a cewką magnesu. Sama rama nośna jest złożoną konstrukcją: waży 20 ton i musi wytrzymać pięciokrotność swojego ciężaru, przy maksymalnym odchyleniu między pustą a pełnym obciążeniem zaledwie kilku centymetrów. Instalacja ośmiotonowych supermodułów wymaga systemu szyn z wyrafinowanym urządzeniem do wsuwania, które łączy się z konstrukcją wsporczą.

Kalorymetr elektromagnetyczny (EM-Cal) znacznie zwiększy możliwości ALICE w zakresie pomiaru cząstek o wysokim pędzie. Poszerzy on zasięg ALICE o badanie odrzutowców i innych trudnych procesów.

Detektor krotności fotonów

Photon Multiplicity Detector (PMD) to detektor pęku cząstek, który mierzy krotność i rozkład przestrzenny fotonów wytwarzanych w zderzeniach. Wykorzystuje jako pierwszą warstwę detektor weta do odrzucania naładowanych cząstek. Z drugiej strony fotony przechodzą przez konwerter, inicjując pęk elektromagnetyczny w drugiej warstwie detektora, gdzie wytwarzają duże sygnały na kilku komórkach o jego czułej objętości. Z drugiej strony, hadrony normalnie wpływają tylko na jedną komórkę i wytwarzają sygnał reprezentujący minimalnie jonizujące cząstki.

Detektor wielokrotności do przodu

ALICE Detektor wielokrotności do przodu

Forward Multiplicity Detector (FMD) rozszerza zasięg dla wielokrotności cząstek ładunku na regiony przednie - dając ALICE najszerszy zasięg spośród 4 eksperymentów LHC dla tych pomiarów.

FMD składa się z 5 dużych krzemowych dysków, z których każdy zawiera 10 240 oddzielnych kanałów detektora do pomiaru naładowanych cząstek emitowanych pod małymi kątami w stosunku do wiązki. FMD zapewnia niezależny pomiar orientacji zderzeń w płaszczyźnie pionowej, który można wykorzystać z pomiarami z detektora beczkowego do badania przepływu, dżetów itp.

Spektrometr mionowy

Spektrometr mionów do przodu ALICE bada pełne widmo ciężkich kwarkonów (J/Ψ, Ψ′, ϒ, ϒ′, ϒ′′) poprzez ich rozpad w kanale μ+μ–. Ciężkie stany kwarkonowe stanowią niezbędne narzędzie do badania wczesnego i gorącego etapu zderzeń ciężkich jonów. W szczególności oczekuje się, że będą one wrażliwe na powstawanie plazmy kwarkowo-gluonowej. W obecności zdeformowanego ośrodka (tj. QGP) o wystarczająco wysokiej gęstości energii, stany kwarkonowe są dysocjowane z powodu kolorowego ekranowania. Prowadzi to do tłumienia ich wskaźników produkcji. Przy wysokiej energii zderzenia LHC można badać zarówno stany charmonium (J/Ψ i Ψ′), jak i stany bottomonium (ϒ, ϒ′ i ϒ′′). Spektrometr Dimuon jest zoptymalizowany do wykrywania rezonansów ciężkich kwarków.

Główne elementy składowe spektrometru mionowego ALICE: absorber do filtrowania tła, zestaw komór śledzących przed, wewnątrz i za magnesem oraz zestaw komór spustowych.

Miony można zidentyfikować za pomocą opisanej właśnie techniki, wykorzystując fakt, że są one jedynymi naładowanymi cząstkami zdolnymi do prawie niezakłóconego przejścia przez dowolny materiał. To zachowanie jest związane z faktem, że miony o pędach poniżej kilkuset GeV/c nie podlegają stratom energii promieniowania, a więc nie wytwarzają pęków elektromagnetycznych. Ponadto, ponieważ są leptonami, nie podlegają silnym oddziaływaniom z jądrami materiału, przez który przechodzą. To zachowanie jest wykorzystywane w spektrometrach mionowych w eksperymentach fizyki wysokich energii, instalując detektory mionów za systemami kalorymetrycznymi lub za grubymi materiałami absorbującymi. Wszystkie naładowane cząstki inne niż miony zostają całkowicie zatrzymane, wytwarzając strumienie elektromagnetyczne (i hadronowe).

Spektrometr mionowy w przednim obszarze ALICE posiada bardzo gruby i złożony przedni absorber oraz dodatkowy filtr mionowy składający się z żelaznej ściany o grubości 1,2 m. Kandydaci na mion wyselekcjonowani ze śladów penetrujących te absorbery są precyzyjnie mierzone w dedykowanym zestawie detektorów śladowych. Pary mionów służą do zbierania widma rezonansów wektorowo-mezonowych ciężkich kwarków (J/Psi). Ich tempo produkcji można analizować jako funkcję pędu poprzecznego i centralności kolizji w celu zbadania dysocjacji spowodowanej kolorowym przesiewaniem. Akceptacja spektrometru mionowego ALICE obejmuje przedział pseudoszybkości 2,5 ≤ η ≤ 4, a rezonanse można wykryć do zera poprzecznego pędu.

Charakterystyka kolizji

Na koniec musimy wiedzieć, jak potężna była kolizja: odbywa się to poprzez pomiar pozostałości zderzających się jąder w detektorach wykonanych z materiałów o wysokiej gęstości, zlokalizowanych około 110 metrów po obu stronach ALICE (ZDC) oraz poprzez pomiar za pomocą FMD, V0 i T0 liczba cząstek powstałych w zderzeniu i ich rozkład przestrzenny. T0 mierzy również z dużą precyzją czas, w którym ma miejsce zdarzenie.

Kalorymetr zerowy

Czoło kalorymetru ZN: Jeden z dwóch kalorymetrów ZN podczas montażu. Włókna kwarcowe znajdują się w rowkach płyt ze stopu W z 1936 roku.

ZDC to kalorymetry, które wykrywają energię nukleonów obserwatora w celu określenia obszaru nakładania się dwóch zderzających się jąder. Składa się z czterech kalorymetrów, dwóch do wykrywania protonów (ZP) i dwóch do wykrywania neutronów (ZN). Znajdują się one w odległości 115 metrów od punktu interakcji po obu stronach, dokładnie wzdłuż linii wiązki. ZN jest umieszczony pod kątem zerowym w stosunku do osi belki LHC, pomiędzy dwiema rurami belki. Dlatego nazywamy je Kalorymetrami Zero Stopni (ZDC). ZP jest umieszczony na zewnątrz rury belki wychodzącej. Protony widza są oddzielane od wiązek jonów za pomocą magnesu dipolowego D1.

ZDC to „kalorymetry spaghetti”, wykonane ze stosu ciężkich metalowych płytek rowkowanych w celu rozmieszczenia matrycy z włókien kwarcowych. Ich zasada działania opiera się na wykrywaniu światła Czerenkowa wytwarzanego przez naładowane cząstki prysznica we włóknach.

Detektor V0

V0 składa się z dwóch tablic liczników scyntylacyjnych ustawionych po obu stronach punktu oddziaływania ALICE i nazwanych V0-A i V0-C. Licznik V0-C znajduje się przed absorberem ramienia dimuonu i obejmuje akceptację spektrometru, podczas gdy licznik V0-A będzie zlokalizowany w odległości około 3,5 m od wierzchołka zderzenia, po drugiej stronie.

Służy do oszacowania centralności zderzenia poprzez zsumowanie energii zdeponowanej w dwóch dyskach V0. To obserwowalne skaluje się bezpośrednio z liczbą cząstek pierwotnych generowanych podczas zderzenia, a zatem do centralności.

V0 jest również używany jako odniesienie w skanach Van Der Meer, które dają rozmiar i kształt zderzających się wiązek, a tym samym jasność dostarczaną do eksperymentu.

Detektor T0

Szereg liczników Czerenkowa używanych w detektorze ALICE T0.

ALICE T0 służy jako detektor startu, wyzwalania i jasności dla ALICE. Dokładny czas interakcji (START) służy jako sygnał odniesienia dla detektora Time-of-Flight używanego do identyfikacji cząstek. T0 dostarcza pięć różnych sygnałów wyzwalania do centralnego procesora wyzwalania. Najważniejszym z nich jest wierzchołek T0 zapewniający szybkie i dokładne potwierdzenie położenia głównego punktu interakcji wzdłuż osi belki w ustalonych granicach. Detektor służy również do monitorowania jasności w trybie online, zapewniając szybkie informacje zwrotne zespołowi akceleratora.

Detektor T0 składa się z dwóch tablic liczników Czerenkowa (T0-C i T0-A) umieszczonych po przeciwnych stronach punktu interakcji (IP). Każda tablica ma 12 cylindrycznych liczników wyposażonych w promiennik kwarcowy i fotopowielacz.

Detektor promieni kosmicznych ALICE (ACORDE)

Jaskinia ALICE stanowi idealne miejsce do wykrywania wysokoenergetycznych mionów atmosferycznych pochodzących z pęków promieniowania kosmicznego. ACORDE wykrywa deszcze promieni kosmicznych, wywołując przybycie mionów do górnej części magnesu ALICE.

Wyzwalacz promieniowania kosmicznego ALICE składa się z 60 modułów scyntylatora rozmieszczonych na 3 górnych powierzchniach jarzma magnetycznego ALICE. Macierz można skonfigurować tak, aby wyzwalała zdarzenia jedno- lub wielomionowe, w razie potrzeby od dwukrotnych koincydencji do całej macierzy. Wysoka jasność ACORDE pozwala na rejestrowanie zdarzeń kosmicznych z bardzo dużą liczbą równoległych ścieżek mionowych, tak zwanych wiązek mionowych.

Dzięki ACORDE eksperyment ALICE umożliwił wykrycie wiązek mionów o największej liczebności, jakie kiedykolwiek zarejestrowano, a także pośredni pomiar pierwotnych promieni kosmicznych o bardzo wysokiej energii.

Pozyskiwanie danych

ALICE musiało zaprojektować system akwizycji danych, który będzie działał wydajnie w dwóch bardzo różnych trybach pracy: bardzo częstych, ale niewielkich zdarzeniach, z niewielką liczbą wytworzonych cząstek napotykanych podczas zderzeń proton-proton oraz stosunkowo rzadkich, ale niezwykle dużych zdarzeniach, z dziesiątkami tysięcy nowe cząstki powstające w zderzeniach ołowiu z ołowiem w LHC (L = 10 27 cm -2 s -1 w Pb-Pb przy 100 ns skrzyżowaniach pęczków i L = 10 30 -10 31 cm -2 s -1 w pp z 25 ns przejazdy grupowe).

System akwizycji danych ALICE musi zrównoważyć swoją zdolność do rejestrowania stałego strumienia bardzo dużych zdarzeń powstałych w wyniku zderzeń centralnych, z możliwością selekcji i rejestracji rzadkich procesów przekrojowych. Wymagania te skutkują łączną przepustowością budowania zdarzeń do 2,5 GByte/s i pojemnością do 1,25 GByte/s, co daje łącznie ponad 1 PByte danych rocznie. Jak pokazano na rysunku, ALICE potrzebuje pojemności przechowywania danych, która znacznie przekracza pojemność obecnej generacji eksperymentów. Ta szybkość przesyłania danych odpowiada sześciokrotności zawartości Encyclopædia Britannica na sekundę.

Sprzęt systemu ALICE DAQ jest w dużej mierze oparty o standardowe komponenty: komputery PC z systemem Linux oraz standardowe przełączniki Ethernet do sieci eventbuildingowej. Wymagane osiągi są osiągane przez połączenie setek tych komputerów w dużą strukturę DAQ. Rama oprogramowania ALICE DAQ nazywa się DATE (ALICE Data Acquisition and Test Environment). DATE jest już w użyciu, w fazie budowy i testowania eksperymentu, i stopniowo ewoluuje w kierunku ostatecznego systemu produkcyjnego. Ponadto AFFAIR (A Flexible Fabric and Application Information Recorder) to oprogramowanie do monitorowania wydajności opracowane w ramach projektu ALICE Data Acquisition. AFFAIR jest w dużej mierze oparty na kodzie open source i składa się z następujących komponentów: zbieranie danych, komunikacja między węzłami przy użyciu DIM, szybkie i tymczasowe przechowywanie bazy danych w systemie round robin oraz trwałe przechowywanie i generowanie wykresów za pomocą ROOT.

Wreszcie. Eksperyment ALICE Mass Storage System (MSS) łączy bardzo dużą przepustowość (1,25 GByte/s) i każdego roku przechowuje ogromne ilości danych, ponad 1 Pbajt. System pamięci masowej składa się z: a) Globalnego Magazynu Danych (GDS) realizującego tymczasowe przechowywanie danych w wyrobisku doświadczalnym; b) Permanent Data Storage (PDS) do długoterminowej archiwizacji danych w Centrum Obliczeniowym CERN i wreszcie z oprogramowania The Mass Storage System zarządzającego tworzeniem, dostępem i archiwizacją danych.

Wyniki

Zdarzenia zarejestrowane w eksperymencie ALICE z pierwszych zderzeń jonów ołowiu, przy energii środka masy 2,76 TeV na parę nukleonów.

Program fizyki ALICE obejmuje następujące główne tematy: i) badanie termalizacji partonów w QGP z naciskiem na masywne, urocze kwarki piękne i zrozumienie zachowania tych ciężkich kwarków w stosunku do silnie sprzężonego ośrodka QGP, ii) badanie mechanizmów utraty energii zachodzącej w ośrodku oraz zależności utraty energii od rodzaju partonu, iii) dysocjacji stanów kwarkonowych, które mogą być sondą dekonstytucji oraz temperatury ośrodka i wreszcie produkcja fotonów termicznych i dileptonów o małej masie emitowanych przez QGP, czyli ocena początkowej temperatury i stopni swobody układów oraz chiralnego charakteru przemiany fazowej.

W ramach współpracy ALICE zaprezentowano pierwsze wyniki zderzeń protonów w LHC przy energii środka masy wynoszącej 7 TeV w marcu 2010 roku. Wyniki potwierdziły, że krotność naładowanych cząstek rośnie wraz z energią szybciej niż oczekiwano, podczas gdy kształt rozkładu krotności jest nie jest dobrze odtworzony w standardowych symulacjach. Wyniki oparto na analizie próbki 300 000 zderzeń proton-proton z eksperymentu ALICE zebranej podczas pierwszych przebiegów LHC ze stabilnymi wiązkami przy energii środka masy, √s, 7 TeV,

W 2011 r. w ramach projektu ALICE Collaboration zmierzono rozmiar układu utworzonego w zderzeniach Pb-Pb przy energii środka masy wynoszącej 2,76 TeV na parę nukleonów. ALICE potwierdziło, że materia QCD wytworzona w zderzeniach Pb-Pb zachowuje się jak płyn, z silnymi zbiorowymi ruchami, które są dobrze opisane równaniami hydrodynamicznymi. Kula ognia utworzona w zderzeniach jądrowych w LHC jest gorętsza, żyje dłużej i rozszerza się do większych rozmiarów niż ośrodek, który powstał w zderzeniach ciężkich jonów w RHIC. Pomiary krotności wykonane w eksperymencie ALICE pokazują, że układ początkowo ma znacznie wyższą gęstość energii i jest co najmniej o 30% gorętszy niż w RHIC, co skutkuje około dwukrotnością krotności cząstek dla każdej zderzającej się pary nukleonów (Aamodt et al. 2010a). Dalsze analizy, w szczególności obejmujące pełną zależność tych obserwacji od centralności, dostarczą więcej wglądu we właściwości układu – takie jak prędkości początkowe, równanie stanu i lepkość płynu – i silnie ograniczą teoretyczne modelowanie ciężkich jonów. kolizje.

Idealny płyn w LHC

Zderzenia jądrowe poza centrum, o skończonym parametrze uderzenia, tworzą silnie asymetryczną kulę ognia „w kształcie migdała”. Jednak eksperymenty nie mogą mierzyć przestrzennych wymiarów interakcji (z wyjątkiem szczególnych przypadków, na przykład w produkcji pionów, patrz). Zamiast tego mierzą rozkłady pędów emitowanych cząstek. Korelacja między zmierzonym azymutalnym rozkładem pędu cząstek emitowanych z rozpadającej się kuli ognia a początkową asymetrią przestrzenną może wynikać tylko z wielokrotnych oddziaływań między składnikami wytworzonej materii; innymi słowy, mówi nam o tym, jak płynie materia, co jest powiązane z jej równaniem stanu i właściwościami transportu termodynamicznego.

Zmierzony rozkład azymutalny cząstek w przestrzeni pędów można rozłożyć na współczynniki Fouriera. Drugi współczynnik Fouriera (v2), zwany przepływem eliptycznym, jest szczególnie wrażliwy na tarcie wewnętrzne lub lepkość płynu, a dokładniej η/s, stosunek lepkości ścinania (η) do entropii (s) układu . Dla dobrego płynu, takiego jak woda, stosunek η/s jest mały. „Gęsty” płyn, taki jak miód, ma duże wartości η/s.

W zderzeniach ciężkich jonów w LHC partnerzy ALICE odkryli, że gorąca materia wytworzona podczas zderzenia zachowuje się jak płyn o niewielkim tarciu, z η/s bliskim jej dolnej granicy (prawie zerowa lepkość). Dzięki tym pomiarom ALICE właśnie zaczęła badać zależność temperaturową η/s i przewidujemy wiele więcej dogłębnych pomiarów związanych z przepływem w LHC, które jeszcze bardziej ograniczą właściwości hydrodynamiczne QGP.

Pomiar najwyższej temperatury na Ziemi

W sierpniu 2012 r. naukowcy z ALICE ogłosili, że ich eksperymenty wytworzyły plazmę kwarkowo-gluonową o temperaturze około 5,5 biliona kelwinów , najwyższej masy temperaturowej osiągniętej w dotychczasowych eksperymentach fizycznych. Ta temperatura jest o około 38% wyższa niż poprzedni rekord około 4 bilionów kelwinów, osiągnięty w eksperymentach z 2010 roku w Brookhaven National Laboratory .

Wyniki zostały ogłoszone ALICE na 13 sierpnia Quark Matter 2012 konferencji w Waszyngtonie Plazma kwarkowo-gluonową produkowane przez tych eksperymentów przybliża warunki we wszechświecie, który istniał mikrosekund po Wielkim Wybuchu , zanim sprawa coalesced do węgla .

Strata energii

Podstawowym procesem w QCD jest utrata energii szybkiego partonu w medium złożonym z kolorowych ładunków. Zjawisko to, "gaszenie strumieniowe", jest szczególnie przydatne w badaniu QGP, przy użyciu naturalnie występujących produktów (dżetów) twardego rozpraszania kwarków i gluonów z nadchodzących jąder. Wysokoenergetyczny parton (kolorowy ładunek) bada kolorowe medium, podobnie jak promieniowanie rentgenowskie, które bada zwykłą materię. Produkcja tych sond partonowych w zderzeniach hadronowych jest dobrze poznana w perturbacyjnej QCD. Teoria pokazuje również, że parton przemierzający ośrodek straci część swojej energii na emisję wielu miękkich (niskoenergetycznych) gluonów. Ilość wypromieniowanej energii jest proporcjonalna do gęstości medium i kwadratu długości drogi przebytej przez parton w medium. Teoria przewiduje również, że utrata energii zależy od smaku partonu.

Wygaszanie strumieni zostało po raz pierwszy zaobserwowane w RHIC poprzez pomiar wydajności hadronów o wysokim pędzie poprzecznym. Cząstki te powstają w wyniku fragmentacji partonów energetycznych. Stwierdzono, że wydajności tych cząstek o wysokim pT w centralnych zderzeniach jądro-jądro są pięć razy niższe niż oczekiwano na podstawie pomiarów w reakcjach proton-proton. ALICE niedawno opublikowała pomiary naładowanych cząstek w centralnych zderzeniach ciężkich jonów w LHC. Podobnie jak w RHIC, produkcja hadronów o wysokim pT w LHC jest silnie tłumiona. Jednak obserwacje w LHC pokazują jakościowo nowe cechy. Obserwacje z ALICE są zgodne z raportami ze współpracy ATLAS i CMS, dotyczącymi bezpośrednich dowodów na utratę energii partonu w zderzeniach ciężkich jonów przy użyciu w pełni zrekonstruowanych strumieni cząstek skojarzonych z twardym rozpraszaniem partonów. Ostatnie dwa eksperymenty wykazały silną nierównowagę energetyczną między odrzutowcem a jego odrzutowym partnerem (G Aad i wsp. 2010 oraz współpraca CMS 2011). Uważa się, że ta nierównowaga powstaje, ponieważ jeden z dżetów przemierzył gorącą i gęstą materię, przenosząc znaczną część swojej energii do ośrodka w sposób, który nie jest odzyskiwany przez rekonstrukcję dżetów.

Badanie hadroprodukcji kwarkonów

Kwarkonia to stany związane ciężkich kwarków smakowych (czarnych lub dolnych) i ich antykwarków. Dwa rodzaje kwarkonii zostały szeroko zbadane: chharmonia, która składa się z kwarka powabnego i antyczaru, oraz bottomonia zbudowana z kwarku dolnego i przeciw kwarku dolnym. Kwarki uroku i antyurody w obecności plazmy kwarkowo-gluonowej, w której znajduje się wiele wolnych ładunków kolorowych, nie są już w stanie widzieć się nawzajem i dlatego nie mogą tworzyć stanów związanych. „Wtopienie” kwarkonii w QGP objawia się tłumieniem plonów kwarkonium w porównaniu z produkcją bez obecności QGP. Poszukiwania tłumienia kwarkonii jako sygnatury QGP rozpoczęły się 25 lat temu. Pierwsze wyniki ALICE dla hadronów powabnych w zderzeniach PbPb przy energii środka masy √sNN = 2,76 TeV wskazują na silną utratę energii w ośrodku dla powabnych i dziwnych kwarków, co wskazuje na powstawanie gorącego ośrodka QGP.

Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta również ekranowanie kolorów, co powoduje większe tłumienie stanów kwarkonowych, ponieważ zaklęcie – antyczar lub dno – antibottom jest trudniejsze do tworzenia nowych stanów związanych. W bardzo wysokich temperaturach nie oczekuje się przetrwania żadnych stanów kwarkonowych; topią się w QGP. Sekwencyjna supresja kwarkoniowa jest zatem uważana za termometr QGP, ponieważ stany o różnych masach mają różne rozmiary i oczekuje się, że będą badane i dysocjowane w różnych temperaturach. Jednak – wraz ze wzrostem energii zderzenia – rośnie liczba kwarków powabno-antyurokowych, które mogą tworzyć stany związane, a wraz z przejściem do wyższych energii może pojawić się równoważący mechanizm rekombinacji kwarkonów.

Wyniki z pierwszego przebiegu ALICE są dość uderzające w porównaniu z obserwacjami z niższych energii. Podczas gdy podobne tłumienie obserwuje się przy energiach LHC dla zderzeń peryferyjnych, w przypadku zbliżania się do większej liczby zderzeń czołowych – co określa się ilościowo na podstawie rosnącej liczby nukleonów w jądrach wiodących uczestniczących w interakcji – tłumienie już nie wzrasta. Dlatego pomimo wyższych temperatur osiąganych w zderzeniach jądrowych w LHC, w eksperymencie ALICE wykrywa się więcej mezonów J/ψ w Pb–Pb względem p–p. Taki efekt jest prawdopodobnie związany z procesem regeneracji zachodzącym na granicy temperatur pomiędzy QGP a gorącym gazem hadronów.

Tłumienie stanów charmonium zaobserwowano również w zderzeniach proton-ołów w LHC, w których nie powstaje plazma kwarkowo-gluonowa. Sugeruje to, że obserwowana supresja w zderzeniach proton-jądro (pA) wynika z efektu zimnej materii jądrowej. Uchwycenie bogactwa wyników eksperymentalnych wymaga zrozumienia pośredniej modyfikacji kwarkonii oraz rozplątywania efektów gorącej i zimnej materii. Obecnie dostępna jest duża ilość danych z RHIC i LHC na temat supresji charmonium i bottomonium, a ALICE próbuje odróżnić skutki tworzenia QGP od skutków zimnej materii jądrowej.

Struktura dwurzędowa w zderzeniach p-Pb

ALICE rejestruje pierwsze zderzenia proton-ołów w LHC

Analiza danych ze zderzeń p-Pb w LHC ujawniła zupełnie nieoczekiwaną strukturę podwójnego grzbietu o nieznanym dotąd pochodzeniu. Zderzenia proton-ołów (pPb) w 2013 roku, dwa lata po zderzeniach z ciężkimi jonami, otworzyły nowy rozdział w badaniu właściwości zdelimitowanego, chiralnie symetrycznego stanu QGP. Zaskakującą korelację bliskiego boku, dalekiego zasięgu (wydłużoną w pseudoszybkości), tworzącą strukturę podobną do grzbietu, obserwowaną w zderzeniach o wysokiej wielokrotności pp, stwierdzono również w zderzeniach o wysokiej wielokrotności pPb, ale o znacznie większej amplitudzie (). Największą niespodzianką była jednak obserwacja, że ​​temu grzbietowi bliższemu towarzyszy zasadniczo symetryczny grzbiet boczny przeciwny w azymucie (CERN Courier marzec 2013 s.6). Ten podwójny grzbiet został ujawniony po tym, jak korelacje krótkiego zasięgu wynikające z fragmentacji dżetów i zaników rezonansowych zostały stłumione przez odjęcie rozkładu korelacji zmierzonego dla zdarzeń o niskiej krotności od tego dla zdarzeń o wysokiej krotności.

Podobne struktury dalekiego zasięgu w zderzeniach ciężkich jonów przypisuje się zbiorowemu przepływowi cząstek emitowanych z systemu termicznego podlegającego zbiorowej ekspansji hydrodynamicznej. Anizotropię tę można scharakteryzować za pomocą współczynników vn (n = 2, 3, ...) rozkładu Fouriera jednocząstkowego rozkładu azymutalnego. Aby dokładniej przetestować możliwą obecność zjawisk zbiorowych, współpraca ALICE rozszerzyła analizę korelacji dwóch cząstek na zidentyfikowane cząstki, sprawdzając potencjalną kolejność masy współczynników harmonicznych v2. Takie uporządkowanie masy zaobserwowano w zderzeniach ciężkich jonów, gdzie interpretowano je jako wynik wspólnego doładowania promieniowego – tak zwanego przepływu radialnego – sprzężonego z anizotropią w przestrzeni pędów. Kontynuując niespodzianki, wyraźny porządek masy cząstek, podobny do tego obserwowanego w centralnych zderzeniach PbPb (CERN Courier, wrzesień 2013), został zmierzony w zderzeniach pPb o dużej wielokrotności.

Jak dotąd ostatnia niespodzianka pochodzi ze stanów charmonium. Podczas gdy wytwarzanie J/ψ nie ujawnia żadnego nieoczekiwanego zachowania, wytwarzanie cięższego i mniej związanego stanu (2S) wskazuje na silne tłumienie (0,5–0,7) w odniesieniu do J/ψ, w porównaniu z kolizjami pp. Czy to aluzja do działania medium? Rzeczywiście, w zderzeniach ciężkich jonów takie tłumienie zostało zinterpretowane jako sekwencyjne topienie stanów kwarkonii, w zależności od ich energii wiązania i temperatury QGP wytworzonej w tych zderzeniach.

Pierwsza kampania pomiarowa pPb, oczekiwanym wynikom, szeroko towarzyszyły nieoczekiwane obserwacje. Wśród oczekiwanych wyników znajduje się potwierdzenie, że zderzenia proton-jądro stanowią odpowiednie narzędzie do szczegółowego badania struktury partonowej zimnej materii jądrowej. Niespodzianki wynikają z podobieństwa kilku obserwacji między zderzeniami pPb i PbPb, które wskazują na istnienie kolektywnych zjawisk w zderzeniach pPb z dużą krotnością cząstek i, ostatecznie, powstawaniem QGP.

Aktualizacje i plany na przyszłość

Długie wyłączenie 1

Głównym działaniem modernizacyjnym ALICE podczas Long Shutdown 1 LHC była instalacja kalorymetru dijet (DCAL), rozszerzenia istniejącego systemu EMCAL, który dodaje 60 ° azymutalnej akceptacji w stosunku do istniejącego 120 ° akceptacji EMCAL. Ten nowy subdetektor zostanie zainstalowany na spodzie magnesu elektromagnetycznego, w którym obecnie znajdują się trzy moduły spektrometru fotonowego (PHOS). Ponadto zostanie zainstalowany całkowicie nowy system szynowy i kołyska do obsługi trzech modułów PHOS i ośmiu modułów DCAL, które łącznie ważą ponad 100 ton. Instalacja pięciu modułów TRD będzie następstwem tego złożonego systemu detektorów, który składa się z 18 jednostek,

Oprócz tych głównych działań detektorów, wszystkie z 18 poddetektorów ALICE przeszły poważne ulepszenia podczas LS1, podczas gdy komputery i dyski w systemach online zostały zastąpione, a następnie zaktualizowano systemy operacyjne i oprogramowanie online.

Wszystkie te wysiłki mają na celu zapewnienie, że ALICE będzie w dobrej formie na trzyletni okres działania LHC po LS1, kiedy współpraca oczekuje na zderzenia ciężkich jonów przy najwyższej energii LHC 5,5 TeV/nukleon przy jasnościach powyżej 1027 Hz / cm 2 .

Długie wyłączenie 2 (2018)

Współpraca ALICE ma w planach poważne ulepszenie podczas następnego długiego przestoju, LS2, obecnie zaplanowanego na 2018 r. Następnie cały krzemowy tracker zostanie zastąpiony przez monolityczny system śledzenia pikseli zbudowany z chipów ALPIDE; komora projekcji czasowej zostanie wzbogacona o gazowe detektory powielacza elektronów (GEM) do ciągłego odczytu i zastosowania nowej mikroelektroniki; a wszystkie inne poddetektory i systemy online przygotują się na 100-krotny wzrost liczby zdarzeń zapisanych na taśmie.

Bibliografia

Zewnętrzne linki