Miliard zderzeń na sekundę
9 lipiec 2008
ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) to największy zbudowany w historii detektor (o rodzajach można poczytać w tej prezentacji) cząstek elementarnych, który powstał przy Wielkim Zderzaczu Hadronów (Large Hadron Collider, LHC) w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) w szwajcarskiej Genewie. Do uruchomienia całego akceleratora zostało już coraz mniej czasu, warto więc może – zanim świat, zdaniem niektórych, zniknie w mikroskopijnej czarnej dziurze – przyjrzeć się detektorowi i poznać kilka faktów o jego zaiste imponujących”bebechach”.
ATLAS (oraz CMS) to dwa z sześciu detektorów LHC, które są jednoczneśnie najważniejszymi i najbardziej uniwersalnymi, czyli nie koncentrują się na rejestracji wybranych cząstek a mają za zadanie rejestrować ich jak najwięcej i różnego sortu. Olbrzymie urządzenie, długości 46 metrów, o wysokości 26 metrów oraz wadze 7 tysięcy ton (a więc równie ciężkie jak na przykład Wieża Eiffla i wielkości połowy katedry Notre Dame w Paryżu) powstało po 15 latach jego projektowania i budowy, w szeroko zakrojonej współpracy 2200 fizyków ze 170 uniwersytetów i instytutów badawczych z 37 krajów. Na głębokości ok. 100 metrów pod ziemią za mniej więcej 350 mln Euro stworzono zupełnie nową jakość detektora – by zoptymalizować jego działanie potrzebnej było wiele pracy rozwojowej i badawczej, częściowo we współpracy z przemysłem, by z 1 miliarda zderzeń protonu z protonem, do jakiego dochodzić będzie w każdej sekundzie pracy LHC, wyselekcjonować garstkę naprawdę ciekawych zdarzeń.
Jak każdy detektor cząstek ATLAS będzie mierzył charakterystyczne wielkości cząstek, które powstaną w trakcie zderzeń protonów. W tym celu urządzenie podzielone zostało na trzy główne części – detektor wewnętrzny, kalorymetr oraz spektrometr mionowy, nie wspominając o kompleksowym systemie selekcji i rejestracji danych. Pokrótce chciałbym teraz opisać każdy z tych układów.
Schemat detektora ATLAS. Warto zauważyć, że u dołu maszyny (na zielono i szaro) dodano dla wyobrażenia sobie skali dwie postacie ludzkie
Źródło grafiki
Credit: CERN
- Detektor wewnętrzny
Jest to centralna część detektora ATLAS, która ma za zadanie mierzyć trasy naładowanych elektrycznie cząstek w polu magnetycznym. W uproszczeniu zasada działania urządzenia jest prosta – przy znanych parametrach pola magnetycznego można oceniając zakrzywienie ścieżki cząstki ocenić jej energię, ponadto można określić, gdzie ta ścieżka miała swój początek. W polu magentycznym o indukcji 2 Tesli, wytwarzanym przez nadprzewodzący magnes solenoidowy o kształcie cylindra (1,15 metra średnicy i długości 7 metrów), w centralnym, najbliższym zderzeniom obszarze, znajdują się półprzewodnikowe elementy detektora. Składają się one z ok. 80 milionów malutkich, kwadratowych “pikseli”, ułożonych w krzemowych czipach. “Piksele” te pozwalają mierzyć ścieżki cząstek z dokładnością ok. 14 mikrometrów, trochę mniejszą dokładność (20 mikrometrów) ma kolejna warstwa krzemowa o większej rozdzielczości, gdzie kanały rejestrujące liczone są w milionach. Dalej od centrum znajduje się detektor promieniowania przejścia, składający się z kilkuset tysięcy cienkich, wypełnionych ksenonem rurek. Naładowana cząstka, przechodząc przez rurkę jonizuje gaz i tym samym indukuje sygnały elektryczne, które pozwalają określić współrzędne cząstki z dokładnością równą 150 mikrometrów. Nie koniec na tym – rurki te tkwią w specjalnej piance z polietylenu, w której to elektrony wytwarzają promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie rentgenowskim (promieniowanie przejścia), absorbowane z kolei w gazie ksenonowym.
- Kalorymetr
Kalorymetr (z definicji przyrząd do pomiaru ciepła pobieranego lub wydzielanego w trakcie procesów chemicznych i fizycznych) w przypadku LHC stworzony został do pomiaru energii cząstek naładowanych elektrycznie oraz obojętnych, powstałych w trakcie kolizji. Otacza on detektor wewnętrzny i składa się z dwóch rodzajów kalorymetru – elektromagnetycznego i hadronowego. Zasada działania w uproszczeniu jest następująca: kalorymetr składa się z naprzemiennie ułożonych warstw, absorbującej i o dużej gęstości (ołów lub żelazo) i detekcyjnej (ciekły argon lub plastikowe scyntylatory). Cząstka powstała podczas kolizji w akceleratorze oddziaływuje z materiałem absorbującym i przekazuje całą swą energię w kalorymetrze, inaczej mówiąc energia ta jest całkowicie pochłaniana. Następnie przenoszona jest na cząstki “drugorzędne”, które powstają w wyniku różnych procesów, takich jak wypromieniowanie fotonu przez elektron lub powstanie pary elektron-pozyton z fotonu. Niezależnie od procesu cała energia cząstki “pierwotnej” zamienia się w “deszcz” wielu cząstek o niższej energii, te natomiast poprzez jonizację i pobudzenie w częsci detekcyjnej dają nam wymierny sygnał, proporcjonalny do pierwotnej energii cząstki z kolizji.
Kalorymetr elektromagnetyczny absorbuje i mierzy energie elektronów i fotonów. Składa się z grubych na 1,9 mm powłok ołowianych z pokryciem ze stali szlachetnej, pomiędzy którymi znajduje się ciekły argon. Ponieważ powłoki ułożone są w nowatorski sposób (geometria podobna do akordeonu) wyniki powinne być wymierne niezależnie od kierunku, z którego przybędzie dana cząstka. Każda z “komórek” kalorymetru ma osobno rejestrowany sygnał, komórek natomiast jest… 190 tysięcy.
Kalorymetr hadronowy działa w taki sam sposób, jedynie składa się z odmiennych materiałów, tzn. warstwa pochłaniająca jest żelazowa a warstwa detekcyjna to plastikowe scyntylatory.
- Spektrometr mionowy
Miony to nietrwałe cząstki elementarne o bardzo słabym oddziaływaniu z materią (wykrywa się je w promieniowaniu kosmicznym setki metrów pod ziemią). To jedyne cząstki naładowane elektrycznie, które “uciekają” z kalorymetru, dlatego by je rejestrować za kalorymetrami – spoglądając od środka detektora – znajduje się właśnie spektrometr mionowy. Zastosowano w tym celu bardzo duży system toroidalnych magnesów – w centralnym obszarze ATLASa osiem nadprzewodzących cewek magnetycznych wytwarza pole magnetyczne o wielkiej objętości, w systemie znajduje się nadprzewodzący kabel o sumarycznej długości 70 km i nominalnym prądzie… 20.000 A (amper). Spektrometr to w zasadzie długie rurki wypełnione gazem, pod ciśnieniem, a rejestracja mionów polega również na zjawisku jonizacji zawartego w rurkach gazu.
Na koniec warto wspomnieć o systemie selekcji i rejestracji danych, bo robi on wielkie wrażenie. By z miliarda “zdarzeń” na sekundę wybrać te naprawdę interesujące, w detektorze postawiono na wielostopniowy system selekcji. Pierwszy jego stopień (“Trigger Level 1″) to wyspecjalizowane procesory, które w ciągu zaledwie 2 mikrosekund oceniają na podstawie analizy ok. 40 milionów wybranych zdarzeń, czy spełnione są odpowiednie kryteria i przekazują w takim przypadku je dalej do poziomu drugiego (przeciętnie z 40 mln zdarzeń zostaje ok. 75 tysięcy). Poziom 2 (“Trigger Level 2″) to układ programowalnych procesorów, które znacznie dokładniej i z większą rozdzielczością oceniają wybrane przez poziom 3 zdarzenia. Praca tego układu daje w efekcie mniej niż 1000 zdarzeń (na sekundę! nie zapominajmy o tym…), które przekazywane są kolejny raz do poziomu trzeciego – “filtra zdarzeń”. Filtr ten to wielka ferma procesorów, która wykonuje pełną rekonstrukcję i analizę zdarzeń. Kiedy spełnione zostają kolejne wymagania, dopiero wtedy dane są archiwizowane w celu późniejszej dokładnej analizy. Z miliarda zdarzeń na sekundę zostaje ich na koniec procesu selekcji ok. 200.
Wszystko to robi ogromne wrażenie, kiedy uświadomimy sobie, że ATLAS to przecież tylko ważna, ale jednak, część całego Zderzacza. Dla jednych LHC jest czymś fascynującym, prawdziwą demonstracją tego, do czego zdolna jest ludzkość współpracując, dla drugich to maszyna zagłady, która nie dość, że pożarła niewyobrażalne fundusze, to doprowadzi niechybnie do końca świata. Nietrudno się domyśleć, że znajduję się w grupie tych pierwszych – niezwykłe jest wyobrażenie, że do badania zderzeń niewyobrażalnie małych protonów tworzy się tak potężne urządzenia, i jakże fascynujące są perspektywy, które dzięki tym badaniom się przed nami otwierają – perspektywy wielkiej naukowej rewolucji, przewracającej być może nasze rozumienie świata fizyki do góry nogami.
Taaa…gdzieś już widziałem ten opis…a, już wiem gdzie! W Biblii. W APOKALIPSIE! Zauważ, że jeśli w słowie ATLAS zamienisz i poprzestawiasz litery, wyjdzie BEAST. Koniec świata się zbliża! Pora zrobić zapasy…
/ Cytuj komentarzHmm, jak pozamieniasz litery to otrzymasz też CHLAST:)) Coś mi się zdaje, że w Apokalipsie rzeczywiście napisane było o podobnych urządzeniach, nie wiem tylko, czy kalorymetry były obu rodzajów – św. Jan pisał chyba tylko o kalorymetrze hadronowym, a to spora różnica. No i co ze scyntylatorami???
/ Cytuj komentarzNowy Testament oczami fizyka, czyli o jakim kalorymatrze pisał św. Jan…kurde, jeśli to nie wspina się na szczyty absurdu i wysublimowanego poczucia humoru, to już nie wiem, co nim jest. Ale to dobrze, że potrafimy się śmiać w obliczu ostatecznej zagłady:)
A czy może być zagłada nie-ostateczna?
/ Cytuj komentarzCzy mi się wydaje czy znów przełożyli uruchomienie LHC ?
/ Cytuj komentarzWitam!:)
Ostatnia (z poważnego źródła, bo to sam CERN) informacja z 07.07 mówi tylko o tym, że zrealizowano kolejny ważny etap. O dziwo trudno znaleźć naprawdę wiarygodne informacje o tym, kiedy ma dojść konkretnie do uruchomienia – o ile dotąd mówiono o lipcu (pierwsze wiązki), teraz podobno maszyna ma mieć miesiąc opóźnienia i mówi się o sierpniu.
/ Cytuj komentarzWitam serdecznie.
/ Cytuj komentarzZegar wciąż tyka i w chwili gdy to pisze został ok.28 dni
http://www.lhcountdown.com/ ale “wszystko sie może zdarzyć”…jak mówił przebój kiedyś.
O, Matko! nO, jesli wesoły mówi, że wszystko juz było to…tak jest własnie…
Rysunek w tekście fajny, kolorowy:)
niebieskie bebechy, jak niebieskie berety, la, la, la
finwe, z notki na notkę coraz mniej rozumiem, a przeciez powinnam naumieć siż już, no nie? troszkę chociaż,
a tak lubie tu zaglądać
nie zwracaj na mnie uwagi:)
/ Cytuj komentarzBardzo mi miło, że jednak lubisz tu zaglądać, naprawdę się cieszę:)) Nie rozumiesz z notki na notkę coraz mniej, bo się nie “naumiałaś” ale dlatego (bo i sam to zauważyłem), że mało ostatnio dzieje się naprawdę ciekawego i w miarę zrozumiałego w astronomii czy fizyce. Chyba jak wszędzie mamy sezon ogórkowy. Dlatego dobierać muszę chcąc nie chcąc ciekawe wprawdzie dla mnie, jednak dość trudne pojęciowo tematy. Mam nadzieję wkrótce się to zmieni;)
/ Cytuj komentarzJak to – nie zwracać uwagi na Beatę? Ja bym tak nie mógł…
Muszę przyznać, że przez powyższą notkę też się jedynie prześlizgnąłem, ale jak dotarłem do fragmentu o systemie selekcji, to aż mi się oczy szeroko otworzyły. Zdolności ludzkości wciąż mnie zadziwiają.
/ Cytuj komentarzJak napisałem wyżej – szukam uparcie co ciekawszych tematów, ale szczerze powiem, że w ostatnim czasie nie ma nic ciekawego, rzeczywiście sezon ogórkowy.
/ Cytuj komentarzwesoły…:)
finwe… moze jakas dziura sie zrobi w niebie, albo gwiazda otrze o ziemie?
a co sądzisz o elektrowni atomowej? Zarnowiec blisko mnie… a to w koncu tez fizyka jest
/ Cytuj komentarzBeata –
Choć o elektrowni atomowej to chyba jeszcze nieco za wcześnie – jesienią ma dopiero ruszyć kampania promująca ideę wybudowania elektrowni, a Żarnowiec jest jedną z dwóch branych pod uwagę lokalizacji. Mocno dyskusyjną na dodatek, bo hasło “atom w Żarnowcu” budzi jednak skojarzenia z marzeniami pewnego generała.
Finwe – ależ nie tłumacz się, sezon ogórkowy ma swoje prawa, a o Mandarynie czy Dodzie nie piszesz przecież, więc Twoje newsy i tak górują nad tym, co jest w mediach mainstreamowych:)
Pytanie – czy Doda wie, co to jest LHC?
/ Cytuj komentarz@Beata: Żarnowiec?? Mówisz o tym zdewastowanym miejscu gdzie utopiono niewyobrażalną kasę?;) Liczę właśnie na to, że stanie się w końcu coś ciekawego w tej dziedzinie, wtedy napiszę!!
@WT: Czy Doda wie… Coś mi się zdaje, że Doda przecież jest w Mensie i ma IQ gdzieś w okolicach 150 punktów (gdzieś takie słuchy chodziły swego czasu) więc pewnie nie tylko wie, co to LHC, ale z łatwością Ci wyjaśni, jaka jest tak naprawdę różnica między kalorymetrem hadronowym a elektromagnetycznym!
/ Cytuj komentarzFinwe…mylisz wiedzę z inteligencją. Mam identyczne IQ co Dorotka…sam nie wiem, czy to powód do dumy, czy wstydu:) Może to ona ma identyczne z moim? Tak czy inaczej – ja się o LHC dowiaduję od Ciebie:)
Co do elektrowni – tak, Żarnowiec jest jedną z bodajże dwóch branych pod uwagę lokalizacji (druga jest, o ile dobrze pamiętam, na Śląsku, ale nie ręczę za to) – w sumie poczyniono tam już spore przygotowania za rządów junty Jaruzelskiego, po prostu towarzysze nie doprowadzili sprawy do koca, bo ludowi po 1986 przestała się podobać radziecka technologia budowy tego typu przybytków. Ciekawie natomiast zapowiada się kampania, o której mówi rząd. Trzeba będzie przekonać cały kraj do tego, że atom jest czystą energią:) A dodatkowo trzeba przekonać ludzi z okolic projektowanej elektrowni – mówi się o bonusach w stylu obniżenia opłat za prąd o połowę:)
Pytanie w jednej czwartej osobiste – dużo używasz gadu-gadu?
/ Cytuj komentarzHeh, widzę jesteśmy w jednej drużynie, bo moje IQ oscyluje wokół IQ Dody (hm…), zdaje się ostatnio miałem 170 punktów, ale było to po imprezie i na kacu, więc pewnie z 200 normalnie bywa:P Na serio to może i o szczegółach technicznych jak w tym wpisie dowiadujesz się ode mnie, jednak o samym LHC bywało już głośno w “mainstreamie” i na pewno będzie głośno kiedy maszyna ruszy.
Coś mi się otarło o uszy na temat elektrowni atomowych w Polsce i jakiejś tam kampanii, mocno mnie to zaskoczyło, bo taka cisza i nagle bęc – budować nam się zachciewa. Nie jestem przeciwnikiem energii z atomu, wręcz przeciwnie, stoję na stanowisku, że przy obecnej technologii to jedyna rozsądna droga dla nas, zanim stanieją i naprawdę wydajne staną się alternatywne źródła energii. Zaciekawiłeś mnie z tym Śląskiem (muszę poszukać więcej informacji), gdyż skądinąd tu mieszkam i mimo wszystko nie pociąga mnie widok kominów elektrowni za oknem (obojętnie jakiej):))
W odpowiedzi na pytanie osobiste – sporadycznie raz na miesiąc może na kilka minut załączam jakiś komunikator (czy to GG czy Skype), bo wydaje mi się, że powinienem z tych cudów skorzystać. Załączam więc, zerkam na listę osób i wyłączam:)) Odpowiedź brzmi więc – nie używam w zasadzie w ogóle. A czemuż to pytasz??
/ Cytuj komentarzBo stawiasz podwójny wykrzyknik albo znak zapytania:) Jak ludzie dużo używający gg…
“(…)ostatnio mialem 170 punktów(…)” i nadal rośnie:)
Temat elektrowni mnie nie ruszył, bo i co tu do ruszania? Uruchomiłoby się to za jakieś 10 lat pewnie, a do tego czasu to jeszcze wszystko może się zmienić:)
/ Cytuj komentarzHmmm, no to teraz żeś pojechał…:)) Może i w GG tak to się robi, ale dla mnie podwójny wykrzyknik czy pytajnik to po prostu zwiększenie emfazy!!:))
/ Cytuj komentarzW języku polskim używa się do tego trzech wykrzykników / pytajników. Dwa – to jest wynalazek gg:P
Najgorsza wrzuta – używasz dużo gg!
/ Cytuj komentarzNo dla mnie to faktycznie bolesne stwierdzenie…;) Nie wiedziałem, że jest to tak ściśle określone, a co z czterema wykrzyknikami?
/ Cytuj komentarzpoloniści…
ja czasami używam GG i w zasadzie nie znam 3/4 skrótów… z uśmieszków tylko jeden
wykrzykników, nawiasów, kropek używam do podkreślenia własnych emocji, prawdopodobnie nieadekwatnie do “zasad” Internetowych
dwa pytajniki to nie jest wynalazek GG, to jest moje własne wielkie zdziwienie????????????????
/ Cytuj komentarzfinwe, nie daj się wciągnąć w bzdury!! (dwa!)
!?! – tez coś znaczy?
Eh, ja tam WT ufam jak własnemu bratu, chyba mnie w konia nie robi, co?
/ Cytuj komentarzPolonista ze mnie słaby, choć filologia to moja działka, więc w sumie trafiłaś. Podobnie jak u Ciebie też szczególnie nie interesują mnie zasady internetowej pisaniny, tutaj się z Tobą zgadzam, piszmy przecież dokładnie tak jak sami chcemy…
@finwe – łaaał…miło mi się zrobiło, serio:)
@Beata @finwe – mnogośc wykrzykników jest pewną przesadą, niemniej mogę ją zrozumieć. Ale dwa wykrzykniki / pytajniki (i tylko dwa) są używane często przez ludzi nadużywających gg. Łatwe do zaobserwowania, gdy muszą coś napisać na forum albo przez inny komunikator:) Jeśli używacie dwóch (i tylko dwóch, nie trzech, nie jednego, nie pięciu, ale dwóch – a dwa jest tą liczbą), to nie znaczy z automatu, że jesteście gg-holikami, ale plasuje Was to w kręgu podejrzeń:)
/ Cytuj komentarzZ niecierpliwością i jakże wielkim zainteresowaniem
/ Cytuj komentarzczekam na jakiekolwiek wiadomości dotyczące LHC
,gdyż bardzo ciekawi mnie efekt jakże
niezwykłego wydarzenia którym bedzie zderzenie wszystkich
tych cząsteczek….
Duże ELo