“Saj še ta ni začel delati, pa že razmišljate o novem!”

    Prejšnji teden sem sodeloval na delovnem sestanku kolaboracije ATLAS, ki je bil posvečen razvijanju naslednika trenutnega sledilca delcev – skupine detektorskih elementov, ki merijo sledi delcev, nastalih pri trkih. (ATLAS je kolaboracija približno 2000 fizikov osnovnih delcev, ki bo raziskovala rezultate trkov na trkalniku LHC v CERN-u pri Ženevi. Trkalnik LHC so preizkusno zagnali 10. septembra letos, a so z delovanjem morali nekaj dni kasneje zaradi okvare za nekaj mesecev prenehati. Na meritve prvih trkov bo potrebno tako se počakati.)

    Ko sem prijateljem omenil, kam grem, je eden vzkliknil tekst z naslova, drugi pa je namignil, da očitno pri kolaboraciji sploh ne verjamemo, da bo trenutni sledilec delal, če že pred prvo resno uporabo razmišljamo o njegovi zamenjavi.

    To seveda še zdaleč ni res. Sledilec delcev je skupek merilnikov, ki so najbližje točki, kjer delci trkajo, in na različne načine poskusa določiti sledi delcev, ki pri trkih nastanejo. Ker bo količina trkov zelo velika (približno 40 milijonkrat na sekundo bo čelno srečalo dvakrat po 100 milijard protonov), bo detektor med delovanjem preplavljen z delci, ki bodo frčali iz trkov. Zaradi prehodov delcev visokih energij (temu pravimo tudi ionizirajoče sevanje) bo detektor sčasoma zaradi poškodb deloval vse slabše, in ga bo po nekaj letih delovanja potrebno zamenjati. Razlog za zamenjavo bo torej “obraba”, ne slabo delovanje.

    Znanstveniki in inženirji so se z razvojem obstoječega sledilca začeli ukvarjati že v začetku 90. let prejšnjega stoletja. Potrebno je bilo preizkusiti različne možne rešitve, razviti tehnologijo, izdelati testne modele in preveriti njihovo delovanje. Ko je bil dizajn določen, je bilo potrebno vse detektorje izdelati in sestaviti, prav tako pa vso elektroniko, ki odčitava meritve z detektorskih elementov; od prvih resno preizkušenih predlogov pa do takrat, ko je bil sledilec sestavljen, je minilo več kot 10 let. Vsak detektorski element je bilo potrebno preizkusiti najprej posamično, nato pa še po tem, ko je bil vgrajen v celoto. Samo vgradnja napajanja, elektronike in hladilnega sistema je trajala skoraj celo leto. Da našteti koraki res niso majhen zalogaj, povejo naslednje številke: v sledilcu delcev, ki je del detektorja ATLAS, je več kot 60 m2 silicija, z njim bi torej lahko tlakovali manjše stanovanje, še bolj impresivno pa je to, da je silicij razdeljen na skoraj 90 milijonov kosov, ki so uporabljeni pri določanju sledi delcev. Meritev iz vsakega od kosov je potrebno odčitati, obdelati in shraniti za poznejšo uporabo. Pri vsem tem je potrebno silicij hladiti na skoraj -10 stopinj Celzija, da elektronski šum zaradi segrevanja ne moti meritve.

    Tako pri sedanjem kot pri bodočem sledilcu moramo znanstveniki znati predvideti, kaj se da razviti in doseči v času, ki nam je na voljo. Nihče si namreč ne želi, da bi bila vgradnja novega sledilca zamujena zaradi slabega planiranja, ali da bi se ob vgradnji izkazalo, da skupek detektorjev nima želenih lastnosti; oboje bi namreč lahko ogrozilo delo in trud tisočev znanstvenikov. Danes smo pametnejši za izkušnje, ki smo jih pridobili pri izdelavi trenutnega sledilca, vendar pri bazičnih raziskavah, kjer je razvoj novih znanj in orodij ena osnovnih nalog in si raziskovalci želijo razširiti meje možnega, to kar znamo danes, ni nikoli dovolj. Zato je 10 let, kolikor je približno na voljo za razvoj novega sledilca delcev, za tako zahteven projekt strašljivo malo. Tega se znanstveniki dobro zavedamo in je razvoj novega sledilca v polnem teku, čeprav sedanji še ni okusil polnega delovanja.

    3 KOMENTARJI

    1. Bo potreben upgrade verteks detektorja za SLHC ali je to neodvisno od tega? Tudi mi ni cisto jasno iz tvojega zapisa, kdaj bo potreben ta upgrade? Cez pet let?

    2. Upgrade bo potreben za celoten tracker, kar je danes vertex (silicijevi piksli) + SCT (silicijevi pasovi) + TRT (plinske cevke – detektor “prehodnega” sevanja). Ze prej (~2012 po trenutnem urniku) bo potreben upgrade najbolj notranjega sloja verteks detektorja. Nameravamo kar dodati nov sloj (t.i. B-layer) ki bo se blizje zarku. Za to bo potrebno zamanjati tudi obstojeco zarkovno cev.

    3. Naj najprej pokomentiram izraz “verteks detektor”…. Z detektorjem verteksov poskušamo določiti točko, kjer je določen delec razpadel, tako da na področje v bližini točke trkov (v sredini detektorja, od koder delci iz trkov izhajajo) postavimo tanke plasti silicija. Točke poti delca, ki smo jih izmerili v silicijevih rezinah, ponavadi kombiniramo z meritvami točk v “zunanjih sledilcih”, ki vsaj včasih niso bili narejeni na osnovi silicija, saj je bil (je) ta zelo drag: pogosto so uporabili s plinom napolnjeno posodo in skoznjo napeli tanke žice; ko je delec letel skozi plin, ga je ioniziral, in ioni so potovali do napetih žic in sprožili signal. Na tak način sta na primer delovala oba eksperimenta, na katerih sem sodeloval (Belle in CDF). Pri eksperimentu ATLAS za plinski sledilec služijo plinske cevke, ki jih je omenil Andrej, to kar smo pa do sedaj imenovali detektor verteksov, sedaj nadomeščajo tako imenovane silicijeve točke (več kot 80 milijonov takih točk v treh plasteh) in silicijevi pasovi. Ker s plinskimi cevkami ne moremo določiti, kje točno po dolžini cevke je delec cevko preletel, je potrebno informacijo s cevk kombinirati z meritvijo v silicijevih točkah in pasovih. Pri ATLASu tako ni jasne delitve med detektorjem verteksov in sledilcem delcev, in se za vse skupaj uporablja malce nedoločen izraz “inner detector” (notranji detektor), če pa želimo biti bolj konkretni, za kateri del detektorja gre, uporabimo zgoraj omenjena tri imena.

      Kot je že Andrej zapisal, bo potrebno v nekaj letih (3-4 leta delovanja) zaradi poškodb zamenjati notranji sloj silicijevih točk. Vendar bo tudi mnogo drugih aparatur, recimo magnete, ki curek delcev zgostijo tik pred trkom, in so zato blizu točke trkov, zaradi zelo velikega sevanja čez čas potrebno zamenjati. Trenutna ocena je, da bodo ti magneti preživeli do približno 2015 (odvisno od delovanja celotnega pospeševalnika), takrat pa bo potrebno pospeševalnik za vsaj eno leto ustaviti, da lahko opravimo vse potrebne zamenjave. Če bo šlo vse po sreči, bomo to priložnost izkoristili za nadgradnjo tako sedanjega detektorja kot tudi pospeševalnika (iz LHC v “super-LHC” …), tako da bomo z njim lahko dosegli še večje gostote trkov, kot sedaj.

      Večja gostote trkov pa pomeni, da trenutni detektor ne bo več primeren za meritve, saj bo recimo plinske cevke, omenjene zgoraj, prešlo preveč delcev naenkrat, da bi si lahko z njimi pomagali.

      Zaenkrat je v igri kar nekaj kandidatov, ki bi lahko nadomestili posamezne dele notranjega detektorja (mislim, da Andrej dela na enem od njih?), vse pa bo potrebno izbrati, zgraditi in sestaviti do 2016, ko bo potrebno LHC ustaviti, da se lahko opravijo omenjene zamenjave. Seveda se glede na to, da LHC sedaj zaradi okvare ne deluje, celoten plan premakne še bolj v prihodnost.

    PUSTITE KOMENTAR

    Vpiši svoj komentar!
    Prosimo vpišite svoje ime

    This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.