Jak budowano Wielki Zderzacz Hadronów LHC i co z tego wynikło?

(1)

Jak budowano Wielki

Zderzacz Hadronów LHC i co z tego wynikło?

Jan Królikowski

Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego

i

Współpraca Compact Muon Solenoid

(CMS) przy LHC

(2)

Budowa holi eksperymentalnych CMS 2001-2005

Jan Królikowski, Festiwal Nauki, wydz. Fizyki UW 24-25.09.2010

(3)

20 krajów członkowskich CERN

Obserwatorzy: UNESCO, UE, Israel, Turcja, USA, Japonia, Rosja

(4)

Wielki Zderzacz Hadronowy LHC

ATLAS ALICE CMS LHCb W tunelu LEP

W CERNie k/ Genewy-

27 km obwodu

Uruchomiony we wrześniu 2008. Uległ awarii po 9 dniach.

Rozpocznął

ponownie pracę

w listopadzie2009.

(5)

Wykorzystano istniejący tunel zderzacza e

⁺

e

^-

LEP o obwodzie ok. 27 km.

Zbudowano pierścień magnesów nadprzewodzących dipolowych

(~1300) zapewniający zamknięte orbity dla dwóch przeciwbieżnych wiązek protonów lub jonów (aż do jonów Pb).

Maksymalna indukcja B w dipolach to 8.4 T  maksymalna energia wiązki p 7 TeV.

System kriogeniczny LHC jest największy na świecie.

Magnesy dipolowe pracują w temperaturze nadciekłego helu 1.9 K

Zderzacz LHC

(6)

Jan Królikowski, Festiwal Nauki, wydz. Fizyki UW 24- 6

Atom= boisko piłkarskie

(powiększony 10

¹²

razy)

W tej skali jadro ma ~1 cm.

Rzędy wielkości

W LHC będziemy mogli badać

obiekty 10

⁴

razy mniejsze.

(7)

Wkład zespołów polskich

Polskie zespoły naukowe uczestniczą we wszystkich 4 eksperymentach przy LHC.

Wniosły znaczny wkład (~1% w każdym eksperymencie) aparaturowy w detektory i oprogramowanie.

Aktywnie uczestniczą w zdefiniowaniu i realizacji

programów fizycznych, przygotowując analizy danych, uczestnicząc w integracji i kalibracji detektorów i

systemów akwizycji oraz zbieraniu danych kosmicznych.

(8)

Plan

1. Fizyka cząstek elementarnych 2. Akceleratory i zderzacze

3. Wyzwania związane z uzyskaniem dużych energii i dużych świetlności w LHC:

1. Silne pola magnetyczne – nadprzewodnicwo, kriogenika

2. Duża świetlność – intensywne wiązki, wiele paczek,o małych rozmiarach poprzecznych

4. Układy detekcyjne

5. Wyniki: kiedy odkrycia?

(9)

1. Fizyka cząstek elementarnych

Dotyczy najbardziej fundamentalnych składników materii; w chwili obecnej za takie uważamy leptony, kwarki i nośniki oddziaływań:

foton , bozony W i Z oraz gluony g.

Trzy kwantowe oddziaływania elementarne to elektromagnetyczne, słabe i silne Ich kwantowego opisu dostarcza Model Standardowy (MS)- najbardziej zaawansowana obecnie teoria fizyczna w tej dziedzinie. Czwarte oddziaływanie elementarne- grawitacja nie jest jeszcze opisane teoria kwantową, lecz tylko klasyczną (OTW Einsteina)

Istotnym elementem MS jest mechanizm nadawania masy cząstkom elementarnym (np. mechanizm Higgsa). Sektor higgsów nie został jeszcze odkryty doświadczalnie.

MS nie jest ostateczną teorią cząstek. Oczekujemy nowych odkryć,

nowych ciężkich cząstek –stąd projekty nowych akceleratorów.

(10)

Cząstki w Modelu Standardowym

Tego szukamy!

(11)

Model Standardowy Model Standardowy

Teoria Elektrosłaba

Z

⁰

/W LEP/SLC/

TeVatron

Fizyka Zapachu Fabryki B/

TeVatron

Chromodynamika kwantowa QCD

DIS, TeVatron,

QCD a Ciężkie Jony

Mechanizm

Spontanicznego

Łamania Symetrii

Poszukiwania cząstek Higgsa

Bardzo dobrze sprawdzona ~M

_Z

pQCD dobrze sprawdzona

Niewiele

wiadomo

(12)

Fizyka Oddziaływań Elementarnych ma bliski związek z Kosmologią.

Wielkie energie

odpowiadają bardzo wczesnym etapom ewolucji

Wszechświata.

LHC

Gdzie jesteśmy na drodze poznania świata subjądrowego?

12

(13)

Czy oddziaływania unifikują się

przy wysokich energiach?

(14)

Przykład:

produkcja pary

kwark- antykwark przez „fuzję”- zlepienie się dwóch gluonów.

Podobnie można myśleć o mechanizmach produkcji np.

wzbudzonych kwarków, gdyby takie istniały.

Zderzenia proton- proton

to zderzenia układów kwarków

Tylko część energii protonów przekazywana jest

produkowanym cząstkom.

(15)

Kwarki są uwięzione

Co wprowadza dodatkowe komplikacje.

Przy dużych energiach kwarki i gluony produkują

skolimowane strumienie, DŻETY hadronów:

(16)

„Nowa Fizyka”

jest rzadka nawet w

LHC

1 barn= 10

^-24

cm

²

= 100 fm

²

Przekrój czynny= rozmiary tarczy strzelniczej

1 rok

Zderzacza=

=10

⁷

s.

(17)

2. Akceleratory i zderzacze cząstek

Do przyspieszania nadają się „trwałe” cząstki naładowane elektrony,

pozytony, protony i antyprotony oraz jądra (jony) atomowe ; być może uda się przyspieszać miony. LHC jest zderzaczem proton-proton i jądro- jądro.

Akceleratory współczesne to najczęściej zderzacze wiązek przeciwbieżnych – to maksymalizuje dostępną energię zderzeń.

Energia zderzeń jest podstawowym parametrem zderzacza.

Akcelerator (zderzacz) to mikroskop o rozdzielczości przestrzennej rosnącej z energią zderzenia i urządzenie do przekształcania energii zderzenia w masę nowych, nieznanych, ciężkich cząstek.

Drugim podstawowym parametrem zderzacza jest świetlność L: liczba oddziaływań wiązek ze zderzacza przypadająca na jednostkę przekroju czynnego na sekundę pracy zderzacza.

Im większa świetlność tym więcej rzadkich procesów może zajść na

jednostkę czasu w zderzaczu.

(18)

Granice świetlności dla zderzaczy

y x

N f N

L ^  ¹  ²

Granice intensywności

Granice rozmiarów wiązek

+granice energii Granice mocy RF

N~10

¹¹

p,

= 20 m, f=40 MHz

LHC: L= 10 / nb.s

(19)

LHC

(p-p 14 TeV) DAFNE

(e+e- 1 GeV) VEPP-2000 VEPP-4M

(e+e- 1-4 GeV)KEK-B

(e+e- 10 GeV) BEPCII

(e+e- 4 GeV) RHIC

(ions) TEVATRON

(p-anty p 2 TeV)

Future: ILC, CLIC, SuperB, eRHIC, ELIC

COLLIDERS - 2009

Zderzacze badawcze: leptony (e+e-) i

hadrony (pp i p-anty p, jądro-jadro)

8 akcel. badawczych wysokich energii/ 15 000 akcel.

(20)

ia

1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050

10^-1 10⁰ 10¹ 10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶

ADA

ADONE DCI

SPEARDORIS SPEAR II

VEPP IV CESR

PETRA PEP

TRISTAN

SLC LEP

LEP LEP II

PEP II KEK B

DAFNE BEPC

CESR-C

VEPP 2000 BEPC II

ILC CLIC CLIC II

SuperKEKB SuperB

BINP C-T HERA

eRHIC

LHeC HERA

eRHIC

LHeC

Year

Energy (GeV)

ISR

SPPS

RHIC TEVATRON

LHC SLHC DLHC

VLHC

Energia vs. rok uruchomienia

e+ e- Hadrons e - protons

(21)

1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 10²⁸

10²⁹ 10³⁰ 10³¹ 10³² 10³³ 10³⁴ 10³⁵ 10³⁶ 10³⁷

ADONE DCI

SPEAR DORIS

SPEAR II VEPP IV

CESR

PETRA PEP

TRISTAN SLC LEP

LEP LEP II PEP II KEK B

DAFNE

BEPC CESR-C

VEPP 2000 BEPC II

ILC CLIC CLIC II SuperKEKB SuperB

BINP C-T

Year

Lu minos ity (c m

-2

sec

-1

)

ISR SPPS

RHIC TEVATRON

LHC

SLHC

DLHC

VLHC

HERA

eRHIC

LHeC

e+ e- Hadrons e - protons

Collider luminosities

Zderzacze: świetlność vs rok uruchomienia

(22)

Z

10⁰ 10¹ 10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶

10²⁸ 10²⁹ 10³⁰ 10³¹ 10³² 10³³ 10³⁴ 10³⁵ 10³⁶ 10³⁷

ADONE DCI

SPEAR

DORIS

SPEAR II VEPP IV

CESR

PETRA PEP

TRISTAN SLC

LEP

LEPLEP II PEP II

KEK B

DAFNE

BEPC CESR-C

VEPP 2000 BEPC II

ILCCLIC CLIC II SuperKEKB

SuperB

BINP C-T

ISR SPPS

RHIC TEVATRON LHC SLHC

DLHC

VLHC

HERA eRHIC

LHeC

Energy (GeV)

Lu minos ity (c m

-2

sec

-1

)

e+ e- Hadrons e - protons

Zderzacze: świetlność vs. energia

(23)

Ograniczenia dla akceleratorów kołowych

Promieniowanie synchrotronowe PS: promieniowanie UV, X wysyłane przez cząstki poruszające się ruchem przyspieszonym np. po kołowych orbitach

(przyspieszenie pośrodkowe)

Moc tracona przez cząstki o masie m i energii E na PS w akceleratorze kołowym o promieniu :

Protony promieniują słabiej od elektronów ~11 bilionów razy

 

⁴

0 2

P P E

mc

 

   

 

4 13

1836 1 13 10

( )  . 

(24)

Granice wysokich energii– e+ e-

: ostatni zderzacz kołowy E = 100 GeV / beam

0 50 100 150 200 250

0 50 100

e- Beam Energy (GeV) U o (GeV)

Strata energii/ obieg Promieniowanie

synchrotronowe

 = 3 km

24

(25)

Dipole LHC ok. 1200

Hel @

1.9 K

Siły poziome przy 8,33 T (warstwa wewn. i zewnętrzna )= 1,7 MN/m Skład materiału nadprzewodzącego Ni_Ti (47Wt% Ti)

Maksymalny prąd z 0 oporem (1,9 K e 8,33 T) 17000 A

Promień pierścienia LHC 2803.95 m

25

(26)

J

Możliwe materiały nadprzewodzące

10 100 1,000 10,000

0 5 10 15 20 25 30

Applied Field, T Nb3Al Nb-Ti

2212 Round Wire

2223

At 4.2 K Unless Otherwise Stated

1.8 K Nb-Ti-Ta Nb3SnInternal Sn

1.8 K Nb3Sn Nb₃Al

ITER 2 K

Nb-Ti-Ta Nb-Ti: Example of Best Industrial Scale Heat Treated

Composites ~1990 (compilation)

Nb-Ti(Fe): 1.9 K, Full-scale multifilamentary billet for FNAL/LHC (OS-STG) ASC'98

Nb-44wt.%Ti-15wt.%Ta: at 1.8 K, monofil. high field optimized, unpubl. Lee et al. (UW-ASC) ‘96

Nb-37Ti-22Ta: at 2.05 K, 210 fil. strand, 400 h total HT, Chernyi et al. (Kharkov), ASC2000

Nb₃Sn: Bronze route VAC 62000 filament, non-Cu 0.1µW·m 1.8 K Jc, VAC/NHMFL data courtesy M. Thoener.

Nb₃Sn: Non-Cu J_cInternal Sn OI-ST RRP #6555-A, 0.8mm, LTSW 2002

Nb₃Al: Nb stabilized 2-stage JR process (Hitachi,TML- NRIM,IMR-TU), Fukuda et al. ICMC/ICEC '96 Nb₃Al: JAERI strand for ITER TF coil

Bi-2212: non-Ag J_c, 427 fil. round wire, Ag/SC=3 (Hasegawa ASC2000+MT17-2001)

Bi 2223: Rolled 85 Fil. Tape (AmSC) B||, UW'6/96 Bi 2223: Rolled 85 Fil. Tape (AmSC) B|_, UW'6/96

Credit: Peter Lee Applied Superconductivity

Center, FSU/NHMFL

Superconductor critical currents for 100 m length capable material

(round wires)

A/mm²

NbTi:

11 T @ 1.9K

Nb₃Sn (Nb₃Al) 17 T @ 4.2 K

1000 A/mm²

Bi-2212 (YBCO)

long lengths

with uniform properties

round wires and sufficient lengths

for the fabrication of coils ²⁶

(27)

Wyzwalanie= poszukiwanie rzadkich przypadków

Sygnatury rzadkich przypadków:

• Leptony (elektrony, miony, taony) i fotony o dużych pędach poprzecznych,

• Dżety (skolimowane strumienie hadronów) o dużych energiach poprzecznych,

• Duża brakująca energia poprzeczna,

Układ wyzwalania _ „ migawka” eksperymentu wybiera 100 z 40 000 000 zderzeń paczek protonów na sekundę.

Układ wyzwalania jest wielopoziomowy:

• Poziom 1 (L1) to programowalna elektronika,

• Poziomy wyższe to algorytmy komputerowe

(28)

J

28

(29)

Awaria 2009: naprawa w

szczegółach

(30)

3. LHC: wyzwania dla zderzacza

**Ekstremalnie wysoka zgromadzona energia wiązek 3602 MJ (2900 t pociąg towarowy z v=72 km/godz)**

• ochrona akceleratora w razie utraty wiązek

• trudności z kolimacją

• zniszczenia radiacyjne, „quench” magnesów (energia pola 11 GJ)

Wiele paczek protonów (2880 / wiązkę co 7.5 m na całym obwodzie):

• oddziaływania paczka- paczka, także na dużych odległościach

• Odziaływania wiazek z gazem w rurach próżniowych (ekstremalna próżnia)

• chmury elektronów wybijane przez prom. synchrotronowe

• itp

(31)

4. UKŁADY DETEKCYJNE

(32)

Eksperymenty: supermikroskopy

(33)

Eksperymenty „ogólnego

przeznaczenia”

(34)

Eksperymenty dedykowane:

ALICE i LHCb

ALICE- zderzenia jonów (jader atomowych) wysokich energii

(35)

Detekcja Cząstek w CMS

miony Tracker: cząstki

naładowane

Kalorymetr EM: Fotony i elektrony, dżety

Kalorymetr Had:

hadrony , dżety

(36)

36

CMS : Compact Muon Solenoid

Budowa holu eksperymentalnego 100 m pod ziemią Feb05

53 m dł., 27 m szer. & 24 m wys.

(37)

Cewka CMS zjeżdża pod ziemię

(38)

Kable, kable, rury …

(39)

CMS : Compact Muon Solenoid

Wkład Warszawy: elektronika systemu wyzwalania na miony

Instalacja detektora śladowego

200 m

²

krzemu

XII. 2007

(40)

Wreszcie CMS zamknięty i gotów do zbierania danych 2009

(41)

(42)

5. WYNIKI; KIEDY ODKRYCIA?

(43)

Całkowita zebrana świetlność CMS

2010

Od kwietnia

do wczoraj

(44)

“masa niezmiennicza”

X

Z

Y E

_Y

, P

_Y

E

_Z

, P

_Z

M _X

Informacje o parach cząstek są wykorzystywane do badania, czy pochodzą one z rozpadu innej, cięższej cząstki

(45)

Masa niezmiennicza (cont.)

M ₅ M ₃

M ₂

M ₆ M ₁

M ₄

Wiele różnych kombinacji par cząstek

Można zredukować tą tę liczbę poprzez „cięcia” na innych

własnościach torów.

Nadal pozostaje pewne tło od sztucznych Etc.

kombinacji.

(46)

Badanie „starych” cząstek przy nowych energiach

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

p ⁰ h ⁰ J/y W ^± ,Z ⁰ ^TOP _quark

Within 3 mins!

p ⁰ h ⁰

J/y

Ponownie zaobserwowane w CMS 2009/2010

⁴⁶

(47)

Possible W and Z particles?

W ⁺ ^ e ^- n

Z ⁰  e ⁺ e ^-

(48)

Kandydat na produkcję pary t- anty t

pp t t

b b







 n

 





n

(49)

Galeria procesów BSM

(50)

Kiedy odkrycia?

Będą wymagały zebrania statystyki; zależnie od procesu potrzebujemy od 100 do 1000 /pb.

SUSY wymaga najmniej; higgsy znacznie więcej.

Tak więc najwcześniej w połowie 2011

(51)

Najbardziej atrakcyjna: SUSY

(52)

Produkcja supercząstek w LHC

J

Neutralina- kandydaci na Ciemną Materię

Rozpady kasdadowe: wiele leptonów/ dżetów (b) i Brakująca Energia Poprzeczna E

_{T Miss}

Niektóre z tych

procesów już przy 10/pb

52

(53)

Ciemna materia w LHC ?

Ciema materia 20-23%

Energii Wszechświata

 r

v

r (kpc) v (km/s)

Przewidywania pomiary

Prędkość obrotu materii w Galaktyce

(54)

Poszukiwania SUSY

Typowa sygnatura hadronowa:

• Duża brakująca E

_T

( 200 GeV )

• Dżety (N 3)

Typowa sygnatura leptonowa:

• Naładowane leptony (N =1,2,34)

• Brakujaca E

_T

Typowe tła:

• Dżety hadronowe z QCD

• Top/ W/Z + Dżety(hadronowe and leptonowe)

J

SUSY- rozpady kaskadowe

LSP

54

(55)

Badania Mechanizmu Spontanicznego Łamania

Symetrii

1. Mechanizm Higgsa lub

2. coś bardziej skomplikowanego?

1. Odkrycie wymaga L >10 /fb, wykluczenie L~1/fb 2. Coś bardziej skomplikowanego L ^{>30 /fb}

55

(56)

Poszukiwanie higgsów

Mechanizmy produkcji i rozpadów higgsów:

Cząstki Higgsa sprzęgają się najmocniej do najcięższych cząstek, na które mogą się rozpaść.

Np. rozpad

dominuje dla 140 < m

_H

< 2 m

_W

czyli w obszarze mas higgsów 140-180 GeV/c

²

.

Stąd poszukiwanie higgsów polega na badaniu różnych

kanałów rozpadów zależnie od obszaru masy poszukiwanej cząstki.

Ponieważ możliwości detekcji, tło i zdolności rozdzielcze różnych kanałów rozpadu są różne, czułość

eksperymentów na odkrycie higgsów zależy od masy higgsów.



 W



W

H

(57)

Produkcja i rozpad higgsa

Czułość w poszczególnych kanałach

zależy od masy higgsów

(58)

Poszukiwanie higgsa

JEŻELI higgs istnieje i JEŻELI mam masę 130 GeV/c

²

…

Taki sygnał zobaczymy po 1 roku pracy ze

świetlnością 10/nb.s.

Szerokość sygnału jest określona przez precyzję pomiaru, naturalna

szerokość higgsa jest pomijalna.

“tło” kombinatoryczne

m

_

dN/dm

_

Kanał H

⁰



Obliczenia symulacyjne MC

(59)

Użyteczne adresy

www.cern.ch – Główna strona CERN Cms.cern.ch – Strona publiczna CMS

http://cmsdoc.cern.ch/cmscc/cmstv/cmstv.jsp?channel=1&frame s=yes – Telewizja CMS(aktualności CERN, LHC, CMS etc.) European Masterclasses - http://www.physicsmasterclasses.org/

CERN odpowiedzialny za edukacje: Rolf.Landua@cern.ch JKr : krolikow@fuw.edu.pl

Warszawska grupa CMS: http://hep.fuw.edu.pl/cms/cms.html

(60)

MATERIAŁY DODATKOWE

(61)

RPC Electronics - overview

(62)

1.1 Link system – on detector Electronics Inventory

Component Abbrev. Full Staged

Link Board Box LBB 124 96

LBB Backplane BP 124 96

Master Link Board MLB 684 444

Slave Link Board SLB 1124 788

Control Board CB 248 192

LBB Frontplane FP 248 192

Staged: RE1, RE2, RE3 > 1.6; RE4, RE5;

(63)

Trigger Crate Sorter Crate Control/Readout Crate

TTC Crate

3. TC, SC, RCC,TTC crates in 904

(64)

3.1 Integration TC - SC

The full setup of the Sorter Crate was tested : two Half Sorter Boards and Final Sorter, connected to the custom backplane (new HSB in the slot 0, old HSB in the slot 2). The FPGAs were programed through the JTAG.

The diagnostic readouts and pulser on the inputs and outputs of the FSB and HSBs were implemented. With these modules the transmission from HSBs to FSB was tested. We have seen the data in a correct format on the FSB input. The long-term tests of this transmission with random data were not performed.

On the FSB the sorter logic was implemented, the preliminary tests showed correct operation of the sorter. The comparison with the ORCA simulation of the algorithm will be performed soon. Similar test of the HSB sorter and ghost buster should be performed.

For the tests the TTC broadcast command (BCO) was used for starting the

pulses and readouts.

(65)

3.2 Integration SC - GMT

The transmission between the FSB and the GMT was tested.

On the FSB the data were generated by programmable pulser On the GMT automatic data comparison was performed.

The one-night tests with random data showed no errors.

The 4 outputs on the FSB front were tested only, the 4 outputs

on the centre of board were not tested yet.

(66)