FoCal-H, en partikeldetektor til ALICE-eksperimentet ved CERN

FoCal detektoren

Detektoren består af to såkaldte kalorimetre, nemlig FoCal-E til måling af energi af elektromagnetiske partikler (elektroner og fotoner) og FoCal-H til måling af såkaldte hadroner. Mere om hadroner på WIKI her >>

FoCal-E og FoCal-H er placeret i forlængelse af hinanden, det vil sige, at partiklerne først detekteres i FoCal-E, og derefter i FoCal-H detektoren.

• FoCal-E er et såkaldt sandwich-kalorimeter, og FoCal-H kalder vi et spagetti-kalorimenter.
• FoCal-H detektoren bliver udviklet på Niels Bohr Institutet i samarbejde med samarbejdspartnere fra Bulgarien, Finland og Polen.

Den endelige detektor skal være færdig til installation i ALICE i 2028, hvor det skal anbringes i en forlæns retning, det vil sige nær strålerøret, hvor partikler strømmer ud ved små vinkler i forhold til den oprindelige partikelstråles retning. 

Test-beam på CERN

En del af den lange designfase af FoCal-H, som de studerende er involveret i, består i at kvalitetsteste prototypen.

Vi laver diverse prototyper, som skal forsikre os om, at vores idéer til design er gode i praksis. Vi har indtil nu lavet to prototyper, som er samlet på Niels Bohr Institutet og kørt til CERN for at blive testet.

• De testfaciliteter som bruges til test af FoCal er acceleratorringene PS og SPS, som normalt fungerer som accelerator-input til LHC (Large Hadron Collider).
• Test af FoCal-H prototypen på CERN foregår over en uge, hvor alle de involverede universiteter med deres tilknyttede studerende og forskere tager ned og tester opstillingen. 

På førstedagen af en testbeam bliver de forskellige komponenter af detektoren sat op og gjort klar. Herefter starter ugen med alle de aftalte tests, som skal gennemføres.

Testene består i, at vi anbringer prototyperne i en partikelstråle fra en af CERNs acceleratorer, og derved udsætter vores kalorimeter for højenergetiske partikler, der interagerer med vores detektor og dens elektronik.

Efter en uge med de mange tests, bliver detektoren taget ned, og kørt væk fra testbeam-området, og kørt hen til FoCal laboratoriet på CERN, hvor den står til næste testbeam.

Vi følger her Børge Svane Nielsen, mens FoCal detektoren bliver installeret og gjort klar til testbeam.

Databehandling af test-beam

Alle de data, vi tager ved test-beam på CERN, tager vi med hjem på store harddisks. Hjemme på NBI bruger vi megen tid på at analysere data grundigt.

Data bliver nøje gransket med det formål at forbedre og optimere designet. Vi har ligeledes været igennem flere generationer af elektronik til at registrere signalerne fra kalorimetret og sammenligne disse med forventningerne.

• Hver gang, vi laver disse test-beam undersøgelser, opstiller vi omhyggeligt detektoren ved acceleratoren, og bruger en uge til at tage en række forskellige typer data.
• Dataindsamlingen, og den efterfølgende analyse, foretages i høj grad af unge forskere og studerende fra NBI.

Forskergruppen opnår herved uundværlige resultater til brug i den videre konstruktion, og de studerende har godt stof til deres bachelor- eller specialeprojekter.

Der er mange forskellige ting, vi gerne vil vide ud fra vores data. Det bliver til adskillige projekter for de studerende. Herunder har vi to forskellige dataanalyser, som vores studerende har lavet.

Ian Pascal Møller om Machine Learning:

Magnus Thøgersen om databehandling

60 år med partikelfysik ved CERN

Ved acceleratorlaboratoriet CERN på grænsen mellem Schweiz og Frankrig nær Geneve har man i over 60 år studeret partikelfysik, også kaldet højenergifysik. Laboratoriet er internationalt med deltagelse af de fleste europæiske lande, heriblandt Danmark, men også fysikere fra resten af verden.

Partikelfysikken studerer opbygningen af alt stof på den allermindste længdeskala og allerhøjeste energiskala.

• Vi ved nu, at alt stof i naturen er opbygget af atomer af 92 grundstoffer, og at disse atomer består af en atomkerne og et antal elektroner, som bestemmer grundstoffets egenskaber.
• Atomkernen består igen af et antal protoner og neutroner i en tæt klump, som er holdt sammen af nogle tiltrækkende kræfter, kaldet de stærke kernekræfter.
• Yderligere har vi i de sidste 50 år vidst, at der inden i protonerne og neutronerne findes eksotiske bittesmå enheder, vi kalder kvarker og gluoner.

Alle disse byggesten (elektroner, protoner, neutroner, kvarker og gluoner m.fl.) kalder vi partikler, og partikelfysikken beskæftiger sig med at undersøge disse og beskrive, hvordan de interagerer med hinanden ved hjælp af naturkræfter, under hensyntagen til også relativitetsteoriens og kvantemekanikkens love.

For at studere alt dette har vi brug for nogle af verdens største redskaber, kaldet acceleratorer.

Eksperimenterne ved CERN

CERN er sat i verden for at studere partikelfysikken, altså stofs allermindste opbygning ved at bruge acceleratorer og detektorer. Det viser sig samtidig, at vi med den viden, vi får, nærmer vi os en forståelse for, hvordan verden så ud i det allertidligste Univers, lige efter Big Bang.

Vi kan derfor med rette sige, at vi ved CERN genskaber stof fra det tidlige Univers i mini-format.

CERNs største accelerator er siden 2010 kaldet Large Hadron Collider (LHC). LHC kan accelerere protoner eller kerner af blyatomer op til hidtil uhørte energier og kollidere dem, for dermed at lære nyt om partiklernes indre og kræfterne, der råder imellem dem.

I forbindelse med LHC er der opstillet fire eksperimenter, hvoraf NBI deltager i to, nemlig ATLAS og ALICE.

Disse store eksperimenter er opført under jorden omkring LHC’s strålerør, så de kan måle de partikler, der strømmer ud fra sammenstødene imellem protoner eller blykerner i LHC, og derved giver indblik i, hvad der sker i disse kollisioner ved meget høj energi.

ALICE er således bygget til at måle egenskaberne af alle de 10-50.000 partikler, der kan komme ud fra en sådan kollision. Partiklerne skabes i selve kollisionsøjeblikket ved at omdanne energi til nye partikler.

ALICE detektorens opbygning

For at få så meget nyttig information om partikelkollisionerne som muligt, består ALICE af en række forskellige underdetektorer.

De kan ved brug af forskellig teknik og en masse elektronik, registrere tusindvis af kollisioner i sekundet, og videresende informationerne til vores computersystemer.

• Underdetektorerne befinder sig i et magnetfelt, der er dannet af en 15 m diameter elektromagnet, og er bygget uden om hinanden for således at måle forskellige egenskaber ved partiklerne.
• Der er således en Inner Detektor (ITS), som meget præcist kan måle partiklerne positioner, når de strømmer ud, og også se om de skulle henfalde undervejs.
• Udenom er der en spordetektor (TPC), som kan måle partiklernes baner og bestemme impuls og ladning.

Der er også detektorer til at måle partiklernes identitet (TOF – Time of Flight, EMCAL, PHOS og HMPID). Alt i alt genererer de millionvis af datapunkter, som bruges til at rekonstruere hele resultatet af hver kollision.

I fremtiden skal FoCal detektoren anbringes ved 3-tallet på tegningen.

Detektering af partikelkollisioner i ALICE

Forskellige underdetektorer i ALICE kan måle partiklernes ladning, bevægelsesmængde (impuls) og masse, og derved bestemme partiklernes type og hvordan de er dannet i kollisionen.

Ved hjælp af et større puslespil på computere bagefter, kan vi regne tilbage til, hvad der skete i selve sammenstødet, i hvert fald statistisk.

Dermed får vi viden om stoffets natur (f.eks. noget, vi kalder kvark-gluon plasma) og tilbageføre det til, hvad vi hermed får at vide om det tidlige Univers.

Det er enorm spændende at kunne bruge CERNs acceleratorer og ALICE eksperimentet til at studere verdens urstof og på den måde lære om både historien lige efter Big Bang og tiden derefter og samtidig få en bedre forståelse for naturlovene, når man bevæger sig udenfor betingelserne i vores daglige verden.