ATLAS Experiment, CERN, Switzerland

Experiment Atlas

[CERN] [ATLAS] [vybrané publikace]

ATLAS je částicový experiment na Velkém hadronovém urychlovači (LHC) v CERNu, který zkoumá jevy ve srážkách protonů a jader olova při velmi vysokých energiích. ATLAS studuje síly které utvářejí náš vesmír od počátku času.

Vědci a studenti z Ústavu částicové a jaderné fyziky se podílí na široké škále fyzikálních studií a rovněž přispívají k hladkému provozu experimentu. Náš výzkum zahrnuje studium Higgsova bosonu, “top” a “beauty” fyziku, fyziku těžkých iontů, dopřednou fyziku a QCD. Rovněž jsme se podíleli na stavdbě detektoru (vnitřní detektor, hadronový kalorimetr a dopředný detektor Alpha) a plánujeme se účastnit budoucího upgradu detektoru ATLAS.

Lidé

Higgsův boson

The higgs boson decay candidate in the ATLAS Experiment

The higgs boson decay candidate in the ATLAS Experiment

Higgsův boson je elementární částice, která je ve Standardním Modelu nutná k vysvětlení původu hmot částic. Tato částice byla poprvé pozorována na LHC (Large Hadron Collider) v CERN v roce 2012. Francois Englert a Peter Higgs dostali Nobelovu cenu za předpovězení Higgsova bosonu rok po jeho experimentálním objevu.
Higgsův boson je velmi nestabilní a rozpadá se okamžitě po svém zrodu. Z tohoto důvodu můžeme v detektoru ATLAS měřit pouze produkty jeho rozpadu. Higgsův boson se může rozpadnout několika způsoby. Jednou z možností je rozpad H →τ + τ, kterým se zabýváme na ÚČJF. Měření v tomto kanále je obtížné především proto, že se v koncovém stavu vyskytují 2-4 neutrina, která nejsme schopní v detektoru ATLAS zaregistrovat. Na druhou stranu je tento kanál důležitý, protože představuje přímou vazbu Higgsova bosonu na fermiony. Naše skupina je zapojená v analýze H→ τ + τ  v kanále, kde se oba tau-leptony rozpadají leptonově (τ → e/μ + νe/μ + ντ).  Podíleli jsme se na analýze dat z Run 1 [ATLAS-CONF-2014-061, článek]. Momentálně se zabýváme především rekonstrukcí hmoty Higgsova bosonu a přípravou analyzačního kódu pro nadcházející Run 2.

Na obrázku je znázorněný případ pravděpodobného rozpadu H →τ + τ doprovázený dvěma dopřednými jety (modrozelená). Jeden tau-lepton se rozpadá na elektron (zelená) a neviditelná neutrina, druhý na mion (červená) a neutrina.

B-fyzika

Měření fáze CP narušení v rozpadu Bs mezonu

Měření fáze CP narušení v rozpadu Bs mezonu

B-fyzika zkoumá hadrony, které obsahují b-kvark („bottom“), druhý nejtěžší (4,2 GeV/c2 ) ze šesti kvarků, které jsou spolu s leptony fundamentálními stavebními kameny veškeré známé hmoty ve vesmíru. Tento b-kvark v přírodě kolem sebe běžně nenajdeme; k vytvoření hadronu obsahujícímu b kvark jsou zapotřebí mocné urychlovače jako je například LHC a vzniklý hadron se velice rychle rozpadá na méně exotické a stabilnější částice. Typická doba života B hadronu se měří v pikosekundách, což je doba tak krátká, že B hadron letící téměř rychlostí světla urazí v detektoru maximálně pár milimetrů než dojde k jeho rozpadu. Jen díky přesným dráhovým detektorům, na jejichž vývoji se podílela i MFF UK, je experiment ATLAS schopen tyto rozpady zaregistrovat.

Hledání fyziky za Standardním modelem

Standardní model elementárních částic a jejich interakcí je nesmírně úspěšná teorie, která dokázala uspokojivě vysvětlit veškeré dosud pozorované jevy v mikrosvětě. Přesto (anebo právě proto) se fyzici snaží objevit něco, co by bylo s touto teorií v rozporu. Takový objev by totiž otevřel dveře novému rozvoji oboru a pomohl teoretickým fyzikům k formulaci úplnější teorie a tedy hlubšímu porozumění světa kolem nás. Jedním z hlavních cílů B-fyziky je právě testování Standardního modelu a hledání fyziky za jeho rámcem. Jako příklad uveďme měření velmi vzácných rozpadů neutrálního hadronu Bs na pár mionů nebo měření CP-narušení v jeho rozpadech Bs->Jpsi+phi. Měření experimentů ATLAS, CMS a LHCb doposud žádnou odchylku od Standardního modelu bohužel nezaznamenala. Nicméně plánovaný provoz LHC v dalším desetiletí slibuje významný přírůstek množství nabraných dat, který povede ke zpřesnění dosavadních výsledků a umožní mnoho dalších měření.

QCD a fyzika jetů

Jetová  spektra naměřená  ATLASem

Jetová spektra naměřená ATLASem

Jety jsou výtrysky mnoha částic do úzkého kužele. Vznikají ve srážkách
vysokoenergetických protonů. Jsou to detekovatelné stopy po kvarcích a
gluonech, ze kterých se protony skládají. Kvarky a gluony nelze
pozorovat přímo, a tak ke studiu jejich vlastností a vzájemných
interakcí slouží právě jety. Přesná detekce jetů na ATLASu tak může vést
k potvrzení stávající teorie v oblasti nejvyšších dosažených energií, k
prohloubení znalostí o struktuře protonu či k objevu zcela nových
fyzikálních zákonů. Na obrázku jsou znázorněna ATLASem naměřená jetová
spektra, neboli vlastně pravděpodobnost vzniku jetů jako funkce příčné
hybnosti a směru výletu.

Hadronový kalorimetr TileCal

Kalorimetry se v částicové fyzice používají k měření energie a směru letu částic, nabitých i neutrálních. Primární vysokoenergetická částice, která vstupuje do kalorimetru, interaguje s jeho materiálem a produkuje tak sekundární částice. Tyto sekundární částice, mají­li dostatek energie, produkují v následných interakcích další částice atd, přičemž energie takto produkovaných sekundárních částic rychle klesá. Tímto způsobem vzniká sprška částic, která je nakonec v kalorimetru pohlcena. Signál od sekundárních částic je měřen v aktivních částech kalorimetru, jeho celková suma je přímo úměrná původní energii primární částice. Experiment ATLAS používá několik kalorimetrů. Hadronový kalorimetr TileCal je umístěn v centrální části. Tento kalorimetr je postaven ze střídajících se destiček absorbátoru (železo) a aktivního média (plastický scintilátor). Nabité částice generují v aktivním prostředí scintilační světlo, které je měřeno fotonásobiči. TileCal je vybaven 3 kalibračními systémy, které monitorují šíření signálu v různých fázích. Odpovídající kalibrační konstanty se pak používají k určení energie primárních částic ze změřeného signálu. Vědečtí pracovníci a studenti z ÚČJF se podílejí na práci v mezinárodní skupině TileCal od začátku její existence. Naše skupina se významně zapojila do konstrukce, instrumentace a svazkových testů, kde byly poprvé měřeny vlastnosti hadronového kalorimetru. Podíleli jsme se také na zprovoznění kalorimetru po jeho instalaci v experimentální hale ATLAS před spuštěním urychlovače LHC. V současné době, kdy kalorimetr funguje v rámci experimentu ATLAS, se věnujeme zejména časové kalibraci, kontrole kvality nabraných dat a Monte Carlo simulacím v tomto kalorimetru.

Další užitečné odkazy