Kolejny problem z Wiekim Zderzaczem Hadronów
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Technologia
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Dzisiaj, po trzech latach przerwy, Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) ponownie podejmuje badania naukowe. Największy na świecie akcelerator cząstek będzie zderzał protony przy rekordowo wysokiej energii wynoszącej 13,6 teraelektronowoltów (TeV). To trzecia kampania naukowa od czasu uruchomienia LHC.
Przez trzy ostatnie lata akcelerator był wyłączony. Trwały w nim prace konserwatorskie i rozbudowywano jego możliwości. Od kwietnia w akceleratorze znowu krążą strumienie cząstek, a naukowcy przez ostatnich kilka tygodni sprawdzali i dostrajali sprzęt. Teraz uznali, że wszystko działa, jak należy, uzyskano stabilne strumienie i uznali, że LHC może rozpocząć badania naukowe.
W ramach rozpoczynającej się właśnie trzeciej kampanii naukowej LHC będzie pracował bez przerwy przez cztery lata. Rekordowo wysoka energia strumieni cząstek pozwoli na uzyskanie bardziej precyzyjnych danych i daje szanse na dokonanie nowych odkryć.
Szerokość wiązek protonów w miejscu ich kolizji będzie mniejsza niż 10 mikrometrów, co zwiększy liczbę zderzeń, mówi dyrektor akceleratorów i technologii w CERN, Mike Lamont. Uczony przypomina, że gdy podczas 1. kampanii naukowej odkryto bozon Higgsa, LHC pracował przy 12 odwrotnych femtobarnach. Teraz naukowcy chcą osiągnąć 280 odwrotnych femtobarnów. Odwrotny femtobarn to miara liczby zderzeń cząstek, odpowiadająca około 100 bilionom zderzeń proton-proton.
W czasie przestoju wszystkie cztery główne urządzenia LHC poddano gruntowym remontom oraz udoskonaleniom ich systemów rejestracji i gromadzeniach danych. Dzięki temu mogą obecnie zebrać więcej informacji o wyższej jakości. Dzięki temu ATLAS i CMS powinny zarejestrować w obecnej kampanii więcej kolizji niż podczas dwóch poprzednich kampanii łącznie. Całkowicie przebudowany LHCb będzie zbierał dane 10-krotnie szybciej niż wcześniej, a możliwości gromadzenia danych przez ALICE zwiększono aż 55-krotnie.
Dzięki tym wszystkim udoskonaleniom można będzie zwiększyć zakres badań prowadzonych za pomocą LHC. Naukowcy będą mogli badać bozon Higgsa z niedostępną wcześniej precyzją, mogą zaobserwować procesy, których wcześniej nie obserwowano, poprawią precyzję pomiarów wielu procesów, które mają fundamentalne znaczenie dla zrozumienia fizyki, asymetrii materii i antymaterii. Można będzie badać właściwości materii w ekstremalnych warunkach temperatury i gęstości, eksperci zyskają nowe możliwości poszukiwania ciemnej materii.
Fizycy z niecierpliwością czekają na rozpoczęcie badań nad różnicami pomiędzy elektronami a mionami. Z kolei program zderzeń ciężkich jonów pozwoli na precyzyjne badanie plazmy kwarkowo-gluonowej, stanu materii, który istniał przez pierwszych 10 mikrosekund po Wielkim Wybuchu. Będziemy mogli przejść z obserwacji interesujących właściwości plazmy kwarkowo-gluonowej do fazy precyzyjnego opisu tych właściwości i powiązania ich z dynamiką ich części składowych, mówi Luciano Musa, rzecznik prasowy eksperymentu ALICE.
Udoskonalono nie tylko cztery zasadnicze elementy LHC. Również mniejsze eksperymenty – TOTEM, LHCf, MoEDAL czy niedawno zainstalowane FASER i SND@LHC – pozwolą na badanie zjawisk opisywanych przez Model Standardowy oraz wykraczających poza niego, takich jak monopole magnetyczne, neutrina czy promieniowanie kosmiczne.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Uczeni pracujący przy eksperymencie ATLAS w CERN donieśli o zaobserwowaniu pierwszego przypadku jednoczesnego powstania trzech masywnych bozonów W (produkcja WWW), które pojawiły się w wyniku zderzeń prowadzonych w Wielkim Zderzaczu Hadronów.
Bozony W, jako nośniki oddziaływań elektrosłabych, odgrywają kluczową rolę w testowaniu Modelu Standardowego. Po raz pierwszy zostały odkryte przed 40 laty i od tamtej pory są przedmiotem badań fizyków.
Naukowcy z ATLAS przeanalizowali dane zarejestrowane w latach 2015–2018 i oznajmili, że zauważyli produkcję WWW z poziomem ufności rzędu 8,2 sigma. To znacznie powyżej 5 sigma, gdy już można powiedzieć o odkryciu. Osiągnięcie tak dużej pewności nie było łatwe. Naukowcy przeanalizowali około 20 miliardów zderzeń, wśród których zauważyli kilkaset przypadków produkcji WWW.
Bozon W może rozpadać się na wiele różnych sposobów. Specjaliści skupili się na czterech modelach rozpadu WWW, które dawały największe szanse na odkrycie poszukiwanego zjawiska, gdyż powodują najmniej szumów tła. W trzech z tych modeli dwa bozony W rozpadają się w elektrony lub miony o tym samym ładunku oraz neutrina a trzeci bozon W rozpada się do pary kwarków. W czwartym z modeli wszystkie bozony W rozpadają się w leptony (elektrony lub miony) i neutrino.
Dzięki odkryciu specjaliści będą mogli poszukać teraz interakcji, które wykraczają poza obecne możliwości LHC. Szczególnie interesująca jest możliwość wykorzystania procesu produkcji WWW do badania zjawiska polegającego na wzajemnym rozpraszaniu się dwóch bozonów W.
Więcej na temat najnowszego odkrycia w artykule Observation of WWW production in pp collisions at s√=13 TeV with the ATLAS detector [PDF].
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Badacze z całego świata będą po raz drugi debatować nad przyszłością nowego kierunku badań w Wielkim Zderzaczu Hadronów pod Genewą, który ma zaowocować szczegółowymi pomiarami wysokoenegetycznych neutrin oraz otworzy nowe drogi poszukiwań ciemnej materii. Współautorem dyskutowanej propozycji nowego eksperymentu FLArE jest dr Sebastian Trojanowski z AstroCeNT i Zakładu Fizyki Teoretycznej NCBJ.
Planowane ponowne uruchomienie Wielkiego Zderzacza Hadronów jest jednym z najbardziej wyczekiwanych wydarzeń w świecie fizyki. Przy tej okazji, zostanie również zainicjowany nowy kierunek badań w LHC, obejmujący pomiary wysokoenergetycznych neutrin oraz poszukiwania śladów nowej fizyki w kierunku wzdłuż osi wiązki zderzenia protonów. Ten nietypowy sposób wykorzystania zderzacza został zaproponowany przez autorów koncepcji detektora FASER (odnośniki w uzupełnieniu). Jednym z jego pomysłodawców był dr Sebastian Trojanowski związany z ośrodkiem badawczym AstroCeNT przy Centrum Astronomicznym im. Mikołaja Kopernika PAN oraz z Narodowym Centrum Badań Jądrowych.
Choć eksperyment FASER ma dopiero zacząć zbierać dane w najbliższym czasie, to już zadajemy sobie pytanie, jak rozwinąć ten pomysł do jeszcze ambitniejszego projektu w dalszej przyszłości – mówi dr Trojanowski. Dyskusje na ten temat zgromadzą w dniach 27-28 maja (w formule zdalnej) około 100 badaczy z całego świata zajmujących się fizyką cząstek elementarnych. Na spotkaniu inżynierowie z CERN zaprezentują również wstępne plany dotyczące budowy nowego laboratorium podziemnego, które mogłoby pomieścić większą liczbę eksperymentów skupionych wzdłuż osi wiązki zderzenia. Jest to projekt długofalowy, który ma na celu maksymalizację potencjału badawczego obecnego zderzacza, który powinien służyć nauce jeszcze wiele lat.
Wśród kilku eksperymentów proponowanych do umieszczenia w nowym laboratorium jest m.in. bezpośredni spadkobierca detektora FASER. Eksperyment, nazwany roboczo FASER 2, znacząco poszerzyłby potencjał odkrywczy obecnego detektora. Choć ani obecny, ani proponowany przyszły eksperyment nie dają możliwości bezpośredniej obserwacji ciemnej materii, to umożliwiają one poszukiwanie postulowanych teoretycznie niestabilnych cząstek, które mogą pośredniczyć w jej oddziaływaniach.
O krok dalej idą autorzy kwietniowego artykułu opublikowanego w czasopiśmie Physical Review D, prof. Brian Batell z Uniwersytetu w Pittsburgu w USA, prof. Jonathan Feng z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine oraz dr Trojanowski. Proponują oni sposób na bezpośrednią obserwację lekkich cząstek ciemnej materii w nowym laboratorium. W tym celu sugerują umieszczenie tam nowego detektora, nazwanego FLArE (ang. Forward Liquid Argon Experiment), wykorzystującego technologię ciekło-argonowej komory projekcji czasowej oraz wstępny sygnał w postaci błysku (ang. flare) scyntylacyjnego. Detektor taki byłby nowym narzędziem do bezpośredniego poszukiwania cząstek ciemnej materii poprzez badanie ich oddziaływań przy bardzo wysokich energiach oraz przy laboratoryjnie kontrolowanym strumieniu takich cząstek. Jest to metoda wysoce komplementarna względem obecnych podziemnych eksperymentów poszukujących cząstek pochodzących z kosmosu lub produkowanych przez promieniowanie kosmiczne – argumentuje dr Trojanowski.
Pomysł na nowy detektor FLArE został błyskawicznie włączony we wstępne plany inżynieryjne nowego laboratorium oraz w dyskusje eksperymentalne, również te dotyczące przyszłych badań neutrin w LHC. Czas pokaże, czy projekt ten będzie kolejnym sukcesem na miarę FASERa, czy też zostanie zastąpiony jeszcze lepszym rozwiązaniem – komentuje dr Trojanowski. Jedno jest pewne: fizycy nie próżnują i nie ustają w wysiłkach w celu lepszego poznania praw rządzących naszym światem.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
W Wielkim Zderzaczu Hadronów zainstalowano nowe urządzenie o nazwie FASER (Forward Search Experiment), którego współtwórcą jest dr Sebastian Trojanowski. FASER będzie badał cząstki, co do których naukowcy mają podejrzenie, że wchodzą w interakcje z ciemną materią. Testy nowego urządzenia potrwają do końca roku.
To krok milowy dla tego eksperymentu. FASER będzie gotowy do zbierania danych z Wielkiego Zderzacza Hadronów, gdy tylko na nowo podejmie on pracę wiosną 2022 roku, mówi profesor Shih-Chieh hsu z University of Washington, który pracuje przy FASER.
Eksperyment będzie badał interakcje z wysokoenergetycznymi neutrinami i poszukiwał nowych lekkich słabo oddziałujących cząstek, które mogą wchodzić w interakacje z ciemną materią. Stanowi ona około 85% materii we wszechświecie. Zbadanie cząstek, które mogą z nią oddziaływać, pozwoli na określenie właściwości ciemnej materii.
W pracach eksperymentu FASER bierze udział 70 naukowców z 19 instytucji w 8 krajach.
Naukowcy sądzą, że podczas kolizji w Wielkim Zderzaczu Hadronów powstają słabo reagujące cząstki, które FASER będzie w stanie wykryć. Jak informowaliśmy przed dwoma laty, w LHC mogą powstawać też niewykryte dotąd ciężkie cząstki.
FASER został umieszczony w nieużywanym tunelu serwisowym znajdującym się 480 metrów od wykrywacza ATLAS. Dzięki niewielkiej odległości FASER powinien być w stanie wykryć produkty rozpadu lekkich cząstek. Urządzenie ma 5 metrów długości, a na jego początku znajdują się dwie sekcje scyntylatorów. Będą one odpowiedzialne za usuwanie interferencji powodowanej przez naładowane cząstki. Za scyntylatorami umieszczono 1,5-metrowy magnes dipolowy, za którym znajduje się spektrometr, składający się z dwóch 1-metowych magnesów dipolowych. Na końcu, początku i pomiędzy magnesami znajdują się 3 urządzenia rejestrujące zbudowane z krzemowych detektorów. Na początku i końcu spektrometru znajdują się dodatkowe stacje scyntylatorów. Ostatnim elementem jest elektromagnetyczny kalorymetr. Będzie on identyfikował wysokoenergetyczne elektrony i fotony oraz mierzył całą energię elektromagnetyczną.
Całość jest schłodzona do temperatury 15 stopni Celsjusza przez własny system chłodzenia. Niektóre z elementów FASERA zostały zbudowane z zapasowych części innych urządzeń LHC.
FASER zostanie też wyposażony w dodatkowy detektor FASERv, wyspecjalizowany w wykrywaniu neutrin. Powinien być on gotowy do instalacji pod koniec bieżącego roku.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Część fizyków uważa, że w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) powstają długo żyjące cząstki, które dotychczas nie zostały wykryte. W przyszłym tygodniu w CERN odbędzie się spotkanie, na którym zostaną omówione metody zarejestrowania tych cząstek.
W 2012 roku LHC zarejestrował obecność bozonu Higgsa, ostatniej nieuchwyconej wcześniej cząstki przewidywanej przez Model Standardowy. Jednak od tamtej pory nie znaleziono niczego nowego czy niespodziewanego. Niczego, co wykracałowy poza Model Standardowy. Nie odkryliśmy nowej fizyki, nie potwierdziliśmy założeń, z jakimi rozpoczynaliśmy prace. Może należy zmienić te założenia, mówi Juliette Alimena z Ohio State University, która pracuje przy CMS (Compact Muon Solenoid), jednym z dwóch głównych detektorów cząstek w LHC.
Pomimo tego, że w LHC zainwestowano miliardy dolarów, to urządzenia pracuje tak, jak pracowały akceleratory przed kilkudziesięcioma laty. Fizycy od dekad zderzają ze sobą protony lub elektrony, zwiększają ich energie, by w procesie tym uzyskać nowe ciężkie cząstki i obserwować, jak w ciągu biliardowych części sekundy rozpadają się na lżejsze, znane nam cząstki. Te lżejsze są wykrywane i na podstawie ich charakterystyk wiemy, z jakich cięższych cząstek pochodzą. Tak właśnie działa i CMS i drugi z głównych wykrywaczy LHC – ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus).
Jednak długo żyjące ciężkie cząstki mogą umykać uwadze detektorów. Przypuszczenie takie nie jest nowe. Niemal wszystkie teorie wykraczające poza standardowe modele fizyczne przewidują istnienie długo żyjących cząstek, mówi Giovanna Cottin, fizyk-teoretyk z Narodowego Uniwersytetu Tajwańskiego. Na przykład teoria supersymetrii mówi, że każda z cząstek Modelu Standardowego ma cięższego partnera. Istnieją teorie mówiące też o istnieniu np. ciemnych fotonów i innych „ciemnych” cząstek. Dotychczas niczego takiego nie udało się zaobserwować.
LHC nie został zaprojektowany do poszukiwania cząstek wykraczających poza Model Standardowy. CMS i ATLAS skonstruowano tak, by wykrywały cząstki ulegające natychmiastowemu rozpadowi. Każdy z nich zawiera warstwowo ułożone podsystemy rejestrujące produkty rozpadu cząstek. Wszystkie one ułożone są wokół centralnego punktu, w którym dochodzi do zderzenia. Jednak problem w tym, że jeśli w wyniku zderzenia powstanie cząstka, która będzie żyła tak długo, iż przed rozpadem zdoła przebyć chociaż kilka milimetrów, to pozostawi ona po sobie nieoczywiste sygnały, smugi, zaburzone trasy ruchu.
Oprogramowanie służące do analiz wyników z detektorów odrzuca takie dane, traktując je jak zakłócenia, artefakty. To problem, bo my tak zaprojektowaliśmy eksperymenty, a programiści tak napisali oprogramowanie, że po prostu odfiltrowuje ono takie rzeczy, mówi Tova Holmes z University of Chicago, która w wykrywaczu ATLAS poszukuje takich zaburzeń.
Holmes i jej koledzy wiedzą, że muszą zmienić oprogramowanie. Jednak to nie wystarczy. W pierwszym rzędzie należy upewnić się, że wykrywacze w ogóle będą rejestrowały takie dane. Jako, że w w LHC w ciągu sekundy dochodzi do 400 milionów zderzeń protonów, w samym sprzęcie zastosowano mechanizmy chroniące przed przeładowaniem danymi. Już na poziomie sprzętowym dochodzi do odsiewania zderzeń i podejmowania decyzji, które są interesujące, a które należy odrzucić. W ten sposób do dalszej analizy kierowane są dane z 1 na 2000 zderzeń. To zaś oznacza, że możemy mieć do czynienia z utratą olbrzymiej ilości interesujących danych. Dlatego też część naukowców chciałaby przyjrzeć się kalorymetrowi CMS, do którego mogą docierać długo żyjące ciężkie cząstki. Chcieliby zastosować mechanizm, który od czasu do czasu będzie odczytywał pełne wyniki wszystkich zderzeń.
Szukanie ciężkich cząstek nigdy nie było łatwe, chociażby dlatego, że naukowcy mieli różne pomysły na to, jak je zarejestrować. To zawsze było tak, że pracowały nad tym pojedyncze osoby. A każdy z nich sam dla siebie stanowił grupę wsparcia, przyznaje James Beacham z Ohio State University. Teraz zainteresowani połączyli siły i w marcu ukazało się 301-stronicowe opracowanie autorstwa 182 naukowców, w którym zaproponowano metody optymalizacji poszukiwań ciężkich cząstek.
Niektórzy z nich proponują, by w najbliższej kampanii, planowanej na lata 2012–2023 częściej zbierano kompletne dane ze wszystkich zderzeń. Niewykluczone, że to ostatnia szansa na zastosowanie tej techniki, gdyż później intensywność generowanych wiązek zostanie zwiększona i zbieranie wszystkich danych stanie się trudniejsze.
Inni chcą zbudowania kilku nowych detektorów wyspecjalizowanych w poszukiwaniu ciężkich cząstek. Jonathan Feng, fizyk-teoretyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine, wraz z kolegami uzyskali nawet od CERN zgodę na zbudowanie Forward Search Experiment (FASER). To niewielki detektor, który ma zostać umieszczony w tunelu serwisowym w odległości 480 metrów w dół wiązki od ATLAS-a. Naukowcy zebrali już nawet 2 miliony dolarów od prywatnych sponsorów i dostali potrzebne podzespoły. FASER ma poszukiwać lekkich cząstek, takich jak ciemne fotony, które mogą być wyrzucane z ATLAS-a, przenikać przez skały i rozpadać się w pary elektron-pozyton.
Jeszcze inna propozycja zakłada wykorzystanie pustej komory znajdującej się za niewielkim wykrywaczem LHCb. Umieszczony tam Compact Detector for Exotics at LHCb miałby poszukiwać długo żyjących cząstek, szczególnie tych pochodzących z rozpadu bozonu Higgsa.
Jednak najbardziej ambitną propozycją jest budowa detektora o nazwie MATHULSLA. Miałby to być wielki pusty budynek wzniesiony na powierzchni nad detektorem CMS. W jego dachu miałyby zostać umieszczone czujniki, które rejestrowałyby dżety pochodzące z rozpadu długo żyjących cząstek powstających 70 metrów poniżej, wyjaśnia David Curtin z Uniwersytetu w Toronto, jeden z pomysłodawców wykrywacza. Uczony jest optymistą i uważa, że detektor nie powinien kosztować więcej niż 100 milionów euro.
Po nocach śni nam się koszmar, w którym Jan Teoretyk powie nam za 20 lat, że niczego nie odkryliśmy bo nie rejestrowaliśmy odpowiednich wydarzeń i nie prowadziliśmy właściwych badań, mówi Beacham, który pracuje przy wykrywaczu ATLAS.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.