46°15′04.8″с.ш. 6°01′12.5″в.д. / 46.251333°с.ш. 6.020139°в.д. / 46.251333; 6.020139
ALICE ( A Large Ion Collider Experiment ) — один из девяти экспериментов с детекторами на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе . Эксперимент предназначен для изучения условий, которые, как считается, существовали сразу после Большого взрыва, путем измерения свойств кварк-глюонной плазмы . [1]
_2.jpg/1280px-2012-Aug-02-ALICE_3D_v0_with_Text_(1)_2.jpg)
ALICE предназначен для изучения высокоэнергетических столкновений между ядрами свинца . Эти столкновения имитируют экстремальную температуру и плотность энергии, которые могли бы быть обнаружены в доли секунды после Большого взрыва , образуя кварк-глюонную плазму , состояние материи , в котором кварки и глюоны не связаны . [ 2]
Понимание деконфайнмента кварков и свойств кварк-глюонной плазмы являются ключевыми вопросами квантовой хромодинамики (КХД) и физики сильно взаимодействующей материи. Результаты, полученные ALICE, поддерживают понимание взаимодействий между элементарными частицами и сложных явлений, таких как ограничение цвета и восстановление хиральной симметрии . Ожидается, что воссоздание кварк-глюонной плазмы и понимание ее эволюции прольет свет на то, как организована материя, механизмы, которые ограничивают кварки и глюоны, а также природу сильного ядерного взаимодействия и его роль в создании большей части массы обычной материи.
Квантовая хромодинамика (КХД) предсказывает, что при достаточно высоких плотностях энергии произойдет фазовый переход с обычной адронной материей , где кварки заключены внутри ядерных частиц, переходя в кварк-глюонную плазму , где их нет. Обратный этому переход, как полагают, произошел, когда Вселенная была приблизительно одной микросекундой (10−6 секунд ), и все еще может происходить в центрах коллапсирующих нейтронных звезд и других астрофизических объектов. [3] [4]
Идея создания специального детектора тяжелых ионов для LHC впервые обсуждалась на встрече «На пути к экспериментальной программе LHC», состоявшейся в Эвиане, Франция, в марте 1992 года. В конечном итоге встреча привела к появлению нескольких программ LHC, включая ATLAS и CMS . [5] После Эвиана было сформировано сотрудничество ALICE, которое представило Письмо о намерениях в 1993 году. [6]
ALICE был впервые предложен в качестве центрального детектора в 1993 году и позднее дополнен дополнительным прямым мюонным спектрометром, разработанным в 1995 году. В 1997 году Комитет LHC разрешил ALICE приступить к окончательному проектированию и строительству. [7]
Первые десять лет были потрачены на проектирование и обширные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР). Как и в случае с другими экспериментами LHC, задачи физики тяжелых ионов на LHC требовали достижений, выходящих за рамки существующих технологий. В некоторых случаях для выполнения первоначальных замыслов проекта требовался технологический прорыв. Хорошо организованные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, продолжавшиеся большую часть 1990-х годов, привели к значительным достижениям в области детекторов, электроники и вычислений .
Детектор должен быть универсальным, способным измерять широкий диапазон сигналов, с гибкостью для дополнений и модификаций по мере появления новых направлений исследований. Чтобы бороться с этими проблемами, ALICE включил поддержку ряда наблюдаемых , которые изначально не требовались. За эти годы были добавлены различные основные системы обнаружения, включая мюонный спектрометр в 1995 году, детекторы переходного излучения в 1999 году и большой струйный калориметр в 2007 году.
В 2010 году ALICE записал данные о первых столкновениях свинца со свинцом на LHC. Наборы данных, полученные в периоды тяжелых ионов в 2010 и 2011 годах, вместе с данными о протоне со свинцом от 2013 года, дали представление о физике кварк-глюонной плазмы.
В 2014 году детектор ALICE прошел масштабную программу консолидации и модернизации во время длительного простоя ускорительного комплекса ЦЕРНа. Был установлен новый субдетектор — двухструйный калориметр (DCAL). Все 18 существующих субдетекторов были модернизированы, а инфраструктура, включая электрические и охлаждающие системы, подверглась масштабной реконструкции. [ необходима цитата ]
В 2022 году ALICE получила дополнительные субдетекторы, включая новую внутреннюю систему слежения, прямой трекер мюонов и триггер быстрого взаимодействия. [8]
По состоянию на 2024 год [обновлять]в коллаборацию ALICE входят более 1900 участников из 174 институтов в 39 странах. [9] Текущий детектор весит около 10 000 тонн и имеет длину 26 м, высоту 16 м и ширину 16 м. [1]
Поиск кварк-глюонной плазмы и более глубокое понимание КХД началось в ЦЕРНе и Брукхейвене с более легких ионов в 1980-х годах. [10] [11] Сегодняшняя программа в этих лабораториях перешла к ультрарелятивистским столкновениям тяжелых ионов, и она как раз достигает энергетического порога, при котором, как ожидается, произойдет фазовый переход. LHC с энергией центра масс около 5,5 ТэВ/нуклон еще больше расширит энергетический охват.
Во время лобовых столкновений ионов свинца на LHC сотни протонов и нейтронов сталкиваются при энергиях свыше нескольких ТэВ . Ионы свинца ускоряются до более чем 99,9999% скорости света. Столкновения на LHC в 100 раз более энергичны, чем столкновения протонов, нагревая вещество в точке взаимодействия до температуры почти в 100 000 раз выше, чем температура в ядре Солнца. [ необходима цитата ]
Когда сталкиваются два ядра свинца, материя претерпевает переход, на короткое время образуя каплю кварк-глюонной плазмы , которая, как полагают, заполнила Вселенную через несколько микросекунд после Большого взрыва.
Кварк -глюонная плазма образуется, когда протоны и нейтроны «плавятся» в своих элементарных составляющих, кварки и глюоны становятся асимптотически свободными. Капля КГП мгновенно охлаждается, и отдельные кварки и глюоны (совместно называемые партонами ) рекомбинируют в смесь обычной материи, которая разлетается во всех направлениях. [12] Осколки содержат такие частицы, как пионы и каоны , которые состоят из кварка и антикварка ; протоны и нейтроны , состоящие из трех кварков; и многочисленные антипротоны и антинейтроны , которые могут объединяться, образуя ядра антиатомов , таких тяжелых, как гелий . Многое можно узнать, изучая распределение и энергию этих обломков.
Большой адронный коллайдер столкнул свои первые ионы свинца в 2010 году, 7 ноября около 12:30 по центральноевропейскому времени. [13] [14]
Первые столкновения в центре детекторов ALICE, ATLAS и CMS произошли менее чем через 72 часа после того, как LHC завершил свой первый запуск протонов и переключился на ускорение пучков ионов свинца. Каждое ядро свинца содержит 82 протона, и LHC ускоряет каждый протон до энергии 3,5 ТэВ, что приводит к энергии 287 ТэВ на пучок или общей энергии столкновения 574 ТэВ.
До 3000 заряженных частиц были испущены в результате каждого столкновения, показанного здесь в виде линий, исходящих из точки столкновения. Цвета линий указывают, сколько энергии каждая частица унесла из столкновения.
В 2013 году LHC столкнул протоны с ионами свинца для первых физических пучков LHC 2013 года. [15] Эксперимент проводился с использованием встречно вращающихся пучков протонов и ионов свинца и начинался с центрированных орбит с различными частотами вращения, а затем по отдельности увеличивался до максимальной энергии столкновения ускорителя. [16]
Первый запуск свинцово-протонного эксперимента на LHC продолжался один месяц, и полученные данные помогли физикам ALICE отделить эффекты плазмы от эффектов, возникающих из-за эффектов холодной ядерной материи, и пролить больше света на изучение кварк-глюонной плазмы.
В случае столкновений свинец-свинец конфигурации кварков и глюонов, из которых состоят протоны и нейтроны входящего ядра свинца, могут несколько отличаться от конфигураций входящих протонов. Для того, чтобы изучить, является ли часть эффектов, наблюдаемых при сравнении столкновений свинец-свинец и протон-протон, следствием этой разницы в конфигурации, а не образования плазмы. Столкновения протон-свинец являются идеальным инструментом для этого исследования.
Ключевым соображением при проектировании ALICE является возможность изучать КХД и (де)конфайнмент кварков в этих экстремальных условиях. Это делается с помощью частиц, созданных внутри горячего объема по мере его расширения и охлаждения, которые живут достаточно долго, чтобы достичь чувствительных слоев детектора, расположенных вокруг области взаимодействия. Физическая программа ALICE основана на возможности идентифицировать их все, то есть определить, являются ли они электронами , фотонами , пионами и т. д., и определить их заряд. Это включает в себя максимальное использование (иногда немного) различных способов взаимодействия частиц с материей. [17]
В «традиционном» эксперименте частицы идентифицируются или, по крайней мере, приписываются к семействам (заряженные или нейтральные адроны ) по характерным сигнатурам, которые они оставляют в детекторе. Эксперимент делится на несколько основных компонентов, и каждый компонент проверяет определенный набор свойств частиц. Эти компоненты укладываются в слои, и частицы последовательно проходят через слои от точки столкновения наружу: сначала система отслеживания, затем электромагнитный (ЭМ) и адронный калориметр и, наконец, мюонная система. Детекторы помещены в магнитное поле, чтобы искривлять треки заряженных частиц для определения импульса и заряда . Этот метод идентификации частиц хорошо работает только для определенных частиц и используется, например, в крупных экспериментах LHC ATLAS и CMS . Однако этот метод не подходит для идентификации адронов, поскольку он не позволяет различать различные заряженные адроны, которые производятся в столкновениях Pb–Pb.
Для идентификации всех частиц, выходящих из системы QGP, ALICE использует набор из 18 детекторов [18] , которые предоставляют информацию о массе, скорости и электрическом знаке частиц.
Ансамбль цилиндрических бочкообразных детекторов, которые окружают номинальную точку взаимодействия, используется для отслеживания всех частиц, вылетающих из горячей плотной среды. Внутренняя система слежения (ITS) (состоящая из трех слоев детекторов: кремниевый пиксельный детектор (SPD), кремниевый дрейфовый детектор (SDD), кремниевый полосовой детектор (SSD)), камера проекции времени (TPC) и детектор переходного излучения (TRD) измеряют во многих точках прохождение каждой частицы, несущей электрический заряд, и дают точную информацию о траектории частицы. Баррельные детекторы слежения ALICE встроены в магнитное поле 0,5 Тесла, создаваемое огромным магнитным соленоидом, изгибающим траектории частиц. Из кривизны треков можно вывести их импульс. ITS настолько точен, что частицы, которые генерируются распадом других частиц с большим (~.1 мм до распада) временем жизни, можно идентифицировать, увидев, что они не возникают из точки, где произошло взаимодействие («вершина» события ), а из точки на расстоянии всего лишь десятой доли миллиметра. Это позволяет нам измерять, например, b-кварки, которые распадаются на относительно долгоживущий B-мезон посредством «топологических» разрезов.
Короткоживущие тяжелые частицы проходят очень небольшое расстояние, прежде чем распасться. Эта система направлена на выявление этих явлений распада путем измерения места, где это происходит, с точностью до десятой доли миллиметра. [19]
Внутренняя система слежения (ITS) состоит из шести цилиндрических слоев кремниевых детекторов . Слои окружают точку столкновения и измеряют свойства частиц, возникающих в результате столкновений, определяя их положение прохождения с точностью до долей миллиметра. [20] С помощью ITS частицы, содержащие тяжелые кварки (очарование и красота), могут быть идентифицированы путем реконструкции координат, в которых они распадаются.
Слои ИТС (считая от точки взаимодействия):
ITS был вставлен в сердце эксперимента ALICE в марте 2007 года после большой фазы НИОКР. Используя наименьшее количество самого легкого материала, ITS был сделан максимально легким и хрупким. С почти 5 м 2 двухсторонних кремниевых полосовых детекторов и более 1 м 2 кремниевых дрейфовых детекторов, это самая большая система, использующая оба типа кремниевых детекторов.
Недавно ALICE представила планы по усовершенствованной системе внутреннего слежения, в основном основанной на создании нового кремниевого трекера со значительно улучшенными характеристиками в плане определения параметра удара (d0) для первичной вершины, эффективности отслеживания при низких pT и возможностей скорости считывания. [21] Усовершенствованная система внутреннего слежения откроет новые каналы в изучении кварк-глюонной плазмы, образующейся на LHC, которые необходимы для понимания динамики этой конденсированной фазы КХД.
Это позволит изучать процесс термализации тяжелых кварков в среде путем измерения тяжелых ароматических очарований и барионов красоты и впервые расширить эти измерения до очень низких значений p T. Это также даст лучшее понимание зависимости массы кварка от потери энергии в среде и предложит уникальную возможность измерения кварков красоты, а также улучшения реконструкции вершин распада красоты. Наконец, модернизированный ITS даст нам возможность охарактеризовать тепловое излучение, исходящее от QGP , и модификацию адронных спектральных функций в среде , связанную с восстановлением хиральной симметрии .
Проект модернизации требует масштабных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ со стороны наших исследователей и коллег по всему миру в области передовых технологий: кремниевых датчиков, маломощной электроники, технологий межсоединений и корпусирования, сверхлегких механических конструкций и охлаждающих устройств.
Камера проекции времени (TPC) ALICE представляет собой большой объем, заполненный газом в качестве среды обнаружения, и является основным устройством отслеживания частиц в ALICE. [22] [23]
Заряженные частицы, пересекающие газ TPC, ионизируют атомы газа на своем пути, освобождая электроны, которые дрейфуют к концевым пластинам детектора. Характеристики процесса ионизации, вызванного быстрыми заряженными частицами, проходящими через среду, могут быть использованы для идентификации частиц. Зависимость силы ионизации от скорости связана с известной формулой Бете-Блоха , которая описывает среднюю потерю энергии заряженных частиц через неупругие кулоновские столкновения с атомными электронами среды.
Многопроводные пропорциональные счетчики или твердотельные счетчики часто используются в качестве среды обнаружения, поскольку они обеспечивают сигналы с высотой импульса, пропорциональной силе ионизации. Эффект лавины вблизи анодных проводов, натянутых в считывающих камерах, дает необходимое усиление сигнала. Положительные ионы, созданные в лавине, индуцируют положительный токовый сигнал на плоскости площадки. Считывание выполняется 557 568 площадками, которые образуют катодную плоскость многопроводных пропорциональных камер ( MWPC ), расположенных на концевых пластинах. Это дает радиальное расстояние до пучка и азимут. Последняя координата, z вдоль направления пучка, задается временем дрейфа. Поскольку флуктуации потери энергии могут быть значительными, в целом многие измерения высоты импульса выполняются вдоль трека частицы, чтобы оптимизировать разрешение измерения ионизации.
Почти весь объем TPC чувствителен к проходящим заряженным частицам, но он имеет минимальный материальный бюджет. Прямое распознавание образов (непрерывные треки) делает TPC идеальным выбором для сред с высокой множественностью, таких как столкновения тяжелых ионов, где тысячи частиц должны отслеживаться одновременно. Внутри ALICE TPC сила ионизации всех треков выбирается до 159 раз, что приводит к разрешению измерения ионизации до 5%.
Электроны и позитроны можно отличить от других заряженных частиц, используя излучение переходного излучения — рентгеновских лучей , испускаемых, когда частицы пересекают множество слоев тонких материалов.
Идентификация электронов и позитронов достигается с помощью детектора переходного излучения (TRD). [24] Аналогично мюонному спектрометру, эта система позволяет проводить детальные исследования производства векторно-мезонных резонансов, но с расширенным покрытием вплоть до легкого векторно-мезонного ρ и в другой области быстроты. Ниже 1 ГэВ/с электроны могут быть идентифицированы с помощью комбинации измерений детектора идентификации частиц (PID) в TPC и времени пролета (TOF). В диапазоне импульсов 1–10 ГэВ/с можно использовать тот факт, что электроны могут создавать TR при прохождении через специальный «излучатель». Внутри такого излучателя быстрые заряженные частицы пересекают границы между материалами с различными диэлектрическими постоянными, что может привести к испусканию фотонов TR с энергиями в рентгеновском диапазоне. Эффект незначителен, и излучатель должен обеспечить много сотен материальных границ, чтобы достичь достаточно высокой вероятности производства хотя бы одного фотона. В ALICE TRD фотоны TR обнаруживаются сразу за радиатором с помощью MWPC, заполненных газовой смесью на основе ксенона, где они передают свою энергию поверх сигналов ионизации от трека частицы.
ALICE TRD был разработан для получения быстрого триггера для заряженных частиц с высоким импульсом и может значительно улучшить регистрируемый выход векторных мезонов. Для этой цели 250 000 процессоров установлены прямо на детекторе, чтобы идентифицировать кандидатов на треки с высоким импульсом и проанализировать связанное с ними энерговыделение как можно быстрее (пока сигналы еще создаются в детекторе). Эта информация отправляется в глобальный блок слежения, который объединяет всю информацию для поиска пар треков электрон-позитрон всего за 6 мкс.
Для разработки такого детектора переходного излучения (TRD) для ALICE было проведено множество испытаний прототипов детекторов в смешанных пучках пионов и электронов.
ALICE также хочет знать идентичность каждой частицы, будь то электрон, протон, каон или пион.
Заряженные адроны (фактически, все стабильные заряженные частицы) однозначно идентифицируются, если определены их масса и заряд. Масса может быть выведена из измерений импульса и скорости. Импульс и знак заряда получаются путем измерения кривизны траектории частицы в магнитном поле. Для получения скорости частицы существует четыре метода, основанных на измерениях времени пролета и ионизации, а также на обнаружении переходного излучения и излучения Черенкова. Каждый из этих методов хорошо работает в различных диапазонах импульсов или для определенных типов частиц. В ALICE все эти методы могут быть объединены для измерения, например, спектров частиц.
В дополнение к информации, предоставляемой ITS и TPC, необходимы более специализированные детекторы: TOF измеряет с точностью лучше одной десятой миллиардной секунды время, которое требуется каждой частице, чтобы добраться от вершины до нее, так что можно измерить ее скорость. Детектор идентификации частиц с высоким импульсом (HMPID) измеряет слабые световые узоры, создаваемые быстрыми частицами, а TRD измеряет особое излучение, которое очень быстрые частицы испускают при пересечении различных материалов, что позволяет идентифицировать электроны. Мюоны измеряются, используя тот факт, что они проникают в вещество легче, чем большинство других частиц: в передней области очень толстый и сложный поглотитель останавливает все другие частицы, и мюоны измеряются специальным набором детекторов: мюонным спектрометром.
Заряженные частицы идентифицируются в ALICE с помощью времени пролета (TOF). Измерения TOF дают скорость заряженной частицы путем измерения времени пролета на заданном расстоянии вдоль траектории трека. [25] [26] Используя информацию об отслеживании от других детекторов, идентифицируется каждый трек, активирующий датчик. При условии, что импульс также известен, масса частицы затем может быть выведена из этих измерений. Детектор ALICE TOF представляет собой детектор большой площади, основанный на многощелевых резистивных пластинчатых камерах (MRPC), которые покрывают цилиндрическую поверхность площадью 141 м 2 с внутренним радиусом 3,7 метра (12 футов). На большой поверхности площадью 150 м 2 распределено около 160 000 площадок MRPC с временным разрешением около 100 пс .
MRPC — это детекторы с параллельными пластинами, изготовленные из тонких листов стандартного оконного стекла для создания узких газовых зазоров с высокими электрическими полями. Эти пластины разделены с помощью рыболовных лесок для обеспечения желаемого расстояния; для достижения эффективности обнаружения, близкой к 100%, необходимо 10 газовых зазоров на MRPC.
Простота конструкции позволяет построить большую систему с общим разрешением TOF 80 пс при относительно низкой стоимости (CERN Courier November 2011 p.8). Такая производительность позволяет разделять каоны, пионы и протоны вплоть до импульсов в несколько ГэВ/с. Объединение такого измерения с информацией PID от ALICE TPC оказалось полезным для улучшения разделения между различными типами частиц, как показано на рисунке 3 для определенного диапазона импульсов.
Детектор идентификации частиц с высоким импульсом (HMPID) — это детектор RICH , позволяющий определять скорость частиц за пределами доступного диапазона импульсов посредством потери энергии (в ITS и TPC, p = 600 МэВ) и посредством измерений времени пролета (в TOF, p = 1,2–1,4 ГэВ).
Излучение Черенкова — это ударная волна, возникающая в результате движения заряженных частиц через материал быстрее скорости света в этом материале. Излучение распространяется под характерным углом по отношению к траектории частицы, который зависит от скорости частицы. Детекторы Черенкова используют этот эффект и в целом состоят из двух основных элементов: излучателя, в котором создается излучение Черенкова, и детектора фотонов. Детекторы кольцевого изображения Черенкова (RICH) разрешают кольцевое изображение сфокусированного излучения Черенкова, что позволяет измерять угол Черенкова и, следовательно, скорость частицы. Этого, в свою очередь, достаточно для определения массы заряженной частицы.
Если используется плотная среда (большой показатель преломления), то для испускания достаточного количества черенковских фотонов требуется лишь тонкий слой радиатора порядка нескольких сантиметров. Детектор фотонов затем располагается на некотором расстоянии (обычно около 10 см) за радиатором, позволяя конусу света расширяться и формировать характерное кольцевое изображение. Такой RICH с фокусировкой на близком расстоянии установлен в эксперименте ALICE.
Диапазон импульсов ALICE HMPID составляет до 3 ГэВ для дискриминации пионов/ каонов и до 5 ГэВ для дискриминации каонов/ протонов . Это крупнейший в мире детектор RICH на основе иодида цезия с активной площадью 11 м 2 . Прототип был успешно испытан в ЦЕРНе в 1997 году и в настоящее время собирает данные на релятивистском коллайдере тяжелых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории в США.
Калориметры измеряют энергию частиц и определяют, имеют ли они электромагнитные или адронные взаимодействия. Идентификация частиц в калориметре является деструктивным измерением. Все частицы, за исключением мюонов и нейтрино, отдают всю свою энергию в систему калориметра, производя электромагнитные или адронные ливни. Фотоны, электроны и позитроны отдают всю свою энергию в электромагнитный калориметр. Их ливни неразличимы, но фотон можно идентифицировать по отсутствию трека в системе отслеживания, которая связана с ливнем.
Фотоны (частицы света), подобно свету, испускаемому горячим объектом, говорят нам о температуре системы. Для их измерения необходимы специальные детекторы: кристаллы PHOS, которые плотны как свинец и прозрачны как стекло, измерят их с фантастической точностью в ограниченной области, в то время как PMD и, в частности, EMCal измерят их в очень широкой области. EMCal также будет измерять группы близких частиц (называемых «струями»), которые имеют память о ранних фазах события.
PHOS — это электромагнитный калориметр высокого разрешения, установленный в ALICE [27] для предоставления данных для проверки тепловых и динамических свойств начальной фазы столкновения. Это делается путем измерения фотонов, выходящих непосредственно из столкновения. PHOS охватывает ограниченную область принятия на центральной скорости. Он изготовлен из кристаллов вольфрамата свинца [28] , подобных тем, которые используются CMS, считываемых с помощью лавинных фотодиодов (APD).
Когда высокоэнергетические фотоны попадают на вольфрамат свинца, они заставляют его светиться или мерцать, и это свечение можно измерить. Вольфрамат свинца чрезвычайно плотный (плотнее железа), останавливая большинство фотонов, которые достигают его. Кристаллы поддерживаются при температуре 248 К, что помогает минимизировать ухудшение энергетического разрешения из-за шума и оптимизировать отклик для низких энергий.
EMCal — это свинцово-сцинтилляционный калориметр, состоящий из почти 13 000 отдельных башен, сгруппированных в десять супермодулей. Башни считываются с помощью оптических волокон со сдвигом длины волны в шашлычной геометрии, соединенных с лавинным фотодиодом. Полный EMCal будет содержать 100 000 отдельных сцинтилляционных плиток и 185 километров оптического волокна общим весом около 100 тонн.
EMCal охватывает почти всю длину проекционной камеры времени ALICE и центрального детектора, а треть его азимута размещена спина к спине с фотонным спектрометром ALICE — меньшим, высокозернистым свинцово-вольфрамовым калориметром.
Супермодули вставляются в независимую опорную раму, расположенную внутри магнита ALICE, между счетчиками времени пролета и катушкой магнита. Сама опорная рама представляет собой сложную конструкцию: она весит 20 тонн и должна выдерживать вес, в пять раз превышающий ее собственный, с максимальным прогибом между пустым и полностью загруженным состоянием всего в пару сантиметров. Установка восьмитонных супермодулей требует системы рельсов со сложным вставным устройством для моста к опорной конструкции.
Электромагнитный калориметр (EM-Cal) значительно расширит возможности ALICE по измерению частиц с высоким импульсом. [29] Он расширит возможности ALICE по изучению струй и других сложных процессов.
Детектор множественности фотонов (PMD) — это детектор ливня частиц, который измеряет множественность и пространственное распределение фотонов, образующихся при столкновениях. [30] Он использует в качестве первого слоя вето-детектор для отклонения заряженных частиц. Фотоны, с другой стороны, проходят через преобразователь, инициируя электромагнитный ливень во втором слое детектора, где они производят большие сигналы на нескольких ячейках его чувствительного объема. Адроны, с другой стороны, обычно воздействуют только на одну ячейку и производят сигнал, представляющий минимально ионизирующие частицы.
Детектор прямой множественности (FMD) расширяет охват множественности заряженных частиц в передние области, предоставляя ALICE самый широкий охват из 4 экспериментов LHC для этих измерений. [31]
FMD состоит из 5 больших кремниевых дисков, каждый из которых имеет 10 240 отдельных каналов детектора для измерения заряженных частиц, испускаемых под малыми углами относительно пучка. FMD обеспечивает независимое измерение ориентации столкновений в вертикальной плоскости, которое может использоваться с измерениями от бочкообразного детектора для исследования потока, струй и т. д.
Спектрометр мюонов ALICE изучает полный спектр тяжелых кваркониев (J/Ψ, Ψ′, ϒ, ϒ′, ϒ′′) через их распад в канале μ+μ–. Состояния тяжелых кваркониев являются важным инструментом для изучения ранней и горячей стадии столкновений тяжелых ионов. [32] В частности, ожидается, что они будут чувствительны к образованию кварк-глюонной плазмы. В присутствии деконфайнментной среды (т. е. QGP) с достаточно высокой плотностью энергии состояния кваркониев диссоциируют из-за цветового экранирования. Это приводит к подавлению их скоростей образования. При высокой энергии столкновения LHC могут быть изучены как состояния чармония (J/Ψ и Ψ′), так и состояния боттомония (ϒ, ϒ′ и ϒ′′). Спектрометр Dimuon оптимизирован для обнаружения резонансов тяжелых кварков.
Мюоны можно идентифицировать с помощью только что описанной техники, используя тот факт, что они являются единственными заряженными частицами, способными проходить почти без помех через любой материал. Это поведение связано с тем, что мюоны с импульсами ниже нескольких сотен ГэВ/с не страдают от потерь энергии на излучение и, таким образом, не производят электромагнитных ливней. Кроме того, поскольку они являются лептонами, они не подвержены сильным взаимодействиям с ядрами материала, через который они проходят. Это поведение используется в мюонных спектрометрах в экспериментах по физике высоких энергий путем установки мюонных детекторов за калориметрическими системами или за толстыми поглощающими материалами. Все заряженные частицы, кроме мюонов, полностью останавливаются, производя электромагнитные (и адронные) ливни.
Мюонный спектрометр в передней области ALICE оснащен очень толстым и сложным передним поглотителем и дополнительным мюонным фильтром, состоящим из железной стенки толщиной 1,2 м. Кандидаты в мюоны, выбранные из треков, проникающих в эти поглотители, измеряются точно в специальном наборе трековых детекторов. Пары мюонов используются для сбора спектра резонансов векторных мезонов тяжелого кварка (J/Psi). Их скорости производства можно анализировать как функцию поперечного импульса и центральности столкновения для исследования диссоциации из-за цветового экранирования. Приемлемость мюонного спектрометра ALICE охватывает интервал псевдобыстрот 2,5 ≤ η ≤ 4, и резонансы могут быть обнаружены вплоть до нулевого поперечного импульса.
Наконец, нам нужно узнать, насколько мощным было столкновение: это делается путем измерения остатков сталкивающихся ядер в детекторах, изготовленных из материалов высокой плотности, расположенных примерно в 110 метрах по обе стороны от ALICE (ZDC), и путем измерения с помощью FMD, V0 и T0 количества частиц, образовавшихся при столкновении, и их пространственного распределения. T0 также измеряет с высокой точностью время, когда произошло событие.
ZDC — это калориметры, которые определяют энергию нуклонов-наблюдателей, чтобы определить область перекрытия двух сталкивающихся ядер. Он состоит из четырех калориметров, двух для обнаружения протонов (ZP) и двух для обнаружения нейтронов (ZN). Они расположены на расстоянии 115 метров от точки взаимодействия по обе стороны, точно вдоль линии пучка. ZN расположен под нулевым градусом относительно оси пучка LHC, между двумя трубами пучка. Вот почему мы называем их калориметрами нулевого градуса (ZDC). ZP расположен снаружи от исходящей трубы пучка. Протоны-наблюдатели отделяются от ионных пучков с помощью дипольного магнита D1.
ZDC представляют собой «спагетти-калориметры», выполненные из стопки пластин из тяжелого металла, прорезанных для размещения матрицы кварцевых волокон. Принцип их работы основан на детектировании черенковского света, создаваемого заряженными частицами ливня в волокнах.
V0 состоит из двух массивов сцинтилляционных счетчиков, установленных по обе стороны от точки взаимодействия ALICE и называемых V0-A и V0-C. Счетчик V0-C расположен выше по потоку от поглотителя димюонного плеча и охватывает прием спектрометра, в то время как счетчик V0-A будет расположен примерно в 3,5 м от вершины столкновения, с другой стороны.
Он используется для оценки центральности столкновения путем суммирования энергии, вложенной в два диска V0. Эта наблюдаемая величина напрямую зависит от числа первичных частиц, образовавшихся при столкновении, и, следовательно, от центральности.
V0 также используется в качестве эталона при сканировании Ван дер Меера, которое определяет размер и форму сталкивающихся пучков и, следовательно, светимость, передаваемую в эксперимент.
ALICE T0 служит в качестве стартового, триггерного и светового детектора для ALICE. Точное время взаимодействия (START) служит опорным сигналом для детектора времени пролета, который используется для идентификации частиц. T0 подает пять различных триггерных сигналов на центральный триггерный процессор. Наиболее важным из них является вершина T0, обеспечивающая быстрое и точное подтверждение местоположения первичной точки взаимодействия вдоль оси пучка в установленных границах. Детектор также используется для онлайн-мониторинга светимости, обеспечивая быструю обратную связь для команды ускорителя.
Детектор T0 состоит из двух массивов черенковских счетчиков (T0-C и T0-A), расположенных на противоположных сторонах точки взаимодействия (IP). Каждый массив имеет 12 цилиндрических счетчиков, оснащенных кварцевым радиатором и фотоумножительной трубкой.
Пещера ALICE является идеальным местом для обнаружения высокоэнергетических атмосферных мюонов, поступающих из космических лучей. ACORDE обнаруживает космические лучи, вызывая прибытие мюонов в верхнюю часть магнита ALICE.
Триггер космических лучей ALICE состоит из 60 сцинтилляционных модулей, распределенных по трем верхним граням магнитного ярма ALICE. Массив может быть сконфигурирован для срабатывания по единичным или множественным мюонным событиям, от двукратных совпадений до всего массива, если это необходимо. Высокая светимость ACORDE позволяет регистрировать космические события с очень высокой множественностью параллельных мюонных треков, так называемых мюонных пучков.
С помощью ACORDE эксперимент ALICE смог обнаружить пучки мюонов с самой высокой когда-либо зарегистрированной множественностью, а также косвенно измерить первичные космические лучи очень высокой энергии. [ необходима цитата ] {>>" # Продолжить....
ALICE должна была разработать систему сбора данных, которая эффективно работала бы в двух совершенно разных режимах работы: очень частые, но небольшие события с небольшим количеством образующихся частиц, возникающих во время столкновений протонов и протонов, и относительно редкие, но чрезвычайно крупные события с десятками тысяч новых частиц, образующихся в столкновениях свинца со свинцом на LHC (L = 1027 см − 2 с − 1 в Pb-Pb с пересечениями пучков длительностью 100 нс и L = 1030–1031 см −2 с − 1 в pp с пересечениями пучков длительностью 25 нс). [33]
Система сбора данных ALICE должна сбалансировать свою емкость для записи постоянного потока очень крупных событий, возникающих в результате центральных столкновений, с возможностью выбора и записи редких процессов поперечного сечения. Эти требования приводят к совокупной пропускной способности построения событий до 2,5 ГБ/с и возможности хранения до 1,25 ГБ/с, что дает в общей сложности более 1 Пбайта данных в год. Как показано на рисунке, ALICE нуждается в емкости хранения данных, которая намного превосходит емкость текущего поколения экспериментов. Такая скорость передачи данных эквивалентна шестикратному объему содержимого Encyclopaedia Britannica в секунду.
Аппаратное обеспечение системы ALICE DAQ [34] в значительной степени основано на стандартных компонентах: ПК под управлением Linux и стандартных коммутаторах Ethernet для сети построения событий. Требуемые характеристики достигаются путем объединения сотен этих ПК в большую инфраструктуру DAQ. Программная структура ALICE DAQ называется DATE (ALICE Data Acquisition and Test Environment). DATE уже используется сегодня, на этапе разработки и тестирования эксперимента, постепенно развиваясь в направлении конечной производственной системы. Более того, AFFAIR (A Flexible Fabric and Application Information Recorder) — это программное обеспечение для мониторинга производительности, разработанное проектом ALICE Data Acquisition. AFFAIR в значительной степени основан на открытом исходном коде и состоит из следующих компонентов: сбор данных, межузловая связь с использованием DIM, быстрое и временное циклическое хранилище базы данных, а также постоянное хранилище и генерация графиков с использованием ROOT.
Наконец, система массового хранения данных (MSS) эксперимента ALICE сочетает в себе очень высокую пропускную способность (1,25 ГБ/с) и каждый год хранит огромные объемы данных, более 1 Пбайта. Система массового хранения данных состоит из: a) Глобального хранилища данных (GDS), выполняющего временное хранение данных в экспериментальной яме; b) Постоянного хранилища данных (PDS) для долгосрочного архива данных в Вычислительном центре ЦЕРН и, наконец, программного обеспечения системы массового хранения данных, управляющего созданием, доступом и архивированием данных.
Физическая программа ALICE включает в себя следующие основные темы: i) изучение термализации партонов в КГП с акцентом на массивные очаровательные кварки и понимание поведения этих тяжелых кварков по отношению к сильно связанной среде КГП, ii) изучение механизмов потери энергии, происходящей в среде, и зависимости потери энергии от вида партона, iii) диссоциация состояний кваркония, которая может быть пробой деконфайнмента и температуры среды, и, наконец, производство тепловых фотонов и дилептонов малой массы, испускаемых КГП, что касается оценки начальной температуры и степеней свободы систем, а также хиральной природы фазового перехода.
Коллаборация ALICE представила свои первые результаты столкновений протонов LHC при энергии центра масс 7 ТэВ в марте 2010 года. [35] Результаты подтвердили, что множественность заряженных частиц растет с энергией быстрее, чем ожидалось, в то время как форма распределения множественности не воспроизводится хорошо стандартными симуляциями. Результаты были основаны на анализе выборки из 300 000 столкновений протонов с протонами, собранных экспериментом ALICE во время первых запусков LHC со стабильными пучками при энергии центра масс, √s, 7 ТэВ,
В 2011 году коллаборация ALICE измерила размер системы, созданной в столкновениях Pb-Pb при энергии центра масс 2,76 ТэВ на пару нуклонов. [36] ALICE подтвердила, что материя КХД, созданная в столкновениях Pb-Pb, ведет себя как жидкость с сильными коллективными движениями, которые хорошо описываются гидродинамическими уравнениями. Огненный шар, образованный в столкновениях ядер на LHC, горячее, живет дольше и расширяется до больших размеров, чем среда, образованная в столкновениях тяжелых ионов на RHIC. Измерения множественности в эксперименте ALICE показывают, что система изначально имеет гораздо более высокую плотность энергии и по крайней мере на 30% горячее, чем на RHIC, что приводит к примерно удвоению множественности частиц для каждой сталкивающейся пары нуклонов (Aamodt et al. 2010a). Дальнейший анализ, в частности, включающий полную зависимость этих наблюдаемых величин от центральности, позволит глубже понять свойства системы, такие как начальные скорости, уравнение состояния и вязкость жидкости, а также существенно ограничить теоретическое моделирование столкновений тяжелых ионов.
Столкновения ядер вне центра с конечным параметром удара создают сильно асимметричный «миндалевидный» огненный шар. Однако эксперименты не могут измерить пространственные размеры взаимодействия (за исключением особых случаев, например, при образовании пионов, см. [37] ). Вместо этого они измеряют распределения импульса испускаемых частиц. Корреляция между измеренным азимутальным распределением импульса частиц, испускаемых распадающимся огненным шаром, и начальной пространственной асимметрией может возникнуть только из-за множественных взаимодействий между составляющими созданной материи; другими словами, она говорит нам о том, как течет материя, что связано с ее уравнением состояния и ее термодинамическими транспортными свойствами. [38]
Измеренное азимутальное распределение частиц в импульсном пространстве можно разложить на коэффициенты Фурье. Второй коэффициент Фурье (v2), называемый эллиптическим потоком, особенно чувствителен к внутреннему трению или вязкости жидкости, или, точнее, η/s, отношению сдвиговой вязкости (η) к энтропии (s) системы. Для хорошей жидкости, такой как вода, отношение η/s мало. «Густая» жидкость, такая как мед, имеет большие значения η/s.
В столкновениях тяжелых ионов на LHC коллаборация ALICE обнаружила, что горячее вещество, созданное при столкновении, ведет себя как жидкость с небольшим трением, с η/s, близким к нижнему пределу (почти нулевая вязкость). С помощью этих измерений ALICE только что начал изучать температурную зависимость η/s, и мы ожидаем еще больше глубоких измерений, связанных с потоками на LHC, которые еще больше ограничат гидродинамические характеристики QGP.
В августе 2012 года ученые ALICE объявили, что в ходе их экспериментов была получена кварк-глюонная плазма с температурой около 5,5 триллионов кельвинов , что является самой высокой температурой массы, достигнутой в любых физических экспериментах до сих пор. [39] Эта температура примерно на 38% выше предыдущего рекорда в 4 триллиона кельвинов, достигнутого в экспериментах 2010 года в Брукхейвенской национальной лаборатории . [40]
Результаты эксперимента ALICE были объявлены 13 августа на конференции Quark Matter 2012 в Вашингтоне, округ Колумбия. Кварк-глюонная плазма, полученная в ходе этих экспериментов, приближается к условиям во Вселенной, которые существовали через микросекунды после Большого взрыва , до того, как материя объединилась в атомы . [41]
Базовым процессом в КХД является потеря энергии быстрым партоном в среде, состоящей из цветных зарядов. Это явление, «гашение струи», особенно полезно при изучении КХД, используя естественные продукты (струи) жесткого рассеяния кварков и глюонов от входящих ядер. Высокоэнергетический партон (цветной заряд) исследует цветную среду подобно тому, как рентгеновские лучи исследуют обычную материю. Производство этих партонных зондов в адронных столкновениях хорошо изучено в пертурбативной КХД. Теория также показывает, что партон, пересекающий среду, будет терять часть своей энергии, испуская множество мягких (низкоэнергетических) глюонов. Количество излучаемой энергии пропорционально плотности среды и квадрату длины пути, пройденного партоном в среде. Теория также предсказывает, что потеря энергии зависит от аромата партона.
Гашение струй было впервые обнаружено на RHIC путем измерения выходов адронов с высоким поперечным импульсом. Эти частицы производятся путем фрагментации энергичных партонов. Выходы этих частиц с высоким pT в центральных столкновениях ядро-ядро оказались в пять раз ниже, чем ожидалось из измерений в реакциях протон-протон. ALICE недавно опубликовал измерение заряженных частиц в центральных столкновениях тяжелых ионов на LHC. Как и на RHIC, производство адронов с высоким pT на LHC сильно подавлено. Однако наблюдения на LHC показывают качественно новые особенности. Наблюдение от ALICE согласуется с отчетами коллабораций ATLAS и CMS о прямых доказательствах потери энергии партонов в столкновениях тяжелых ионов с использованием полностью реконструированных встречных струй частиц, связанных с жестким рассеянием партонов. [42] Последние два эксперимента показали сильный энергетический дисбаланс между струей и ее отталкивающим партнером (G Aad et al. 2010 и CMS collaboration 2011). Этот дисбаланс, как полагают, возникает из-за того, что одна из струй пересекает горячую и плотную материю, передавая значительную часть своей энергии среде таким образом, который не восстанавливается при реконструкции струй.
Кварконии — это связанные состояния тяжелых ароматных кварков (очарование или боттомония) и их антикварков. Были тщательно изучены два типа кваркониев: чармонии, состоящие из очарованного кварка и антиочарования, и боттомонии, состоящие из боттомонии и антиботтома. Очарованные и античармовые кварки в присутствии кварк-глюонной плазмы, в которой имеется много свободных цветовых зарядов, больше не могут видеть друг друга и, следовательно, не могут образовывать связанные состояния. «Расплавление» кваркониев в КГП проявляется в подавлении выходов кваркония по сравнению с производством без присутствия КГП. Поиск подавления кваркония как сигнатуры КГП начался 25 лет назад. Первые результаты ALICE для очарованных адронов в столкновениях PbPb при энергии центра масс √sNN = 2,76 ТэВ указывают на сильную потерю энергии в среде для очарованных и странных кварков, что является признаком образования горячей среды КГП. [43]
С ростом температуры увеличивается и экранирование цвета, что приводит к большему подавлению состояний кваркония, поскольку очарованию – античарму или основанию – антидонцу становится сложнее образовывать новые связанные состояния. При очень высоких температурах не ожидается, что состояния кваркония выживут; они плавятся в QGP. Поэтому последовательное подавление кваркония рассматривается как термометр QGP, поскольку состояния с разными массами имеют разные размеры и, как ожидается, будут экранироваться и диссоциировать при разных температурах. Однако - с ростом энергии столкновения - увеличивается и количество очарованных-античармовых кварков, которые могут образовывать связанные состояния, и может появиться балансирующий механизм рекомбинации кваркониев по мере перехода к более высоким энергиям.
Результаты первого запуска ALICE довольно поразительны, если сравнивать их с наблюдениями при более низких энергиях. В то время как аналогичное подавление наблюдается при энергиях LHC для периферических столкновений, при переходе к более лобовым столкновениям – что количественно определяется увеличением числа нуклонов в ядрах свинца, участвующих во взаимодействии – подавление больше не увеличивается. Таким образом, несмотря на более высокие температуры, достигнутые в ядерных столкновениях на LHC, эксперимент ALICE обнаруживает больше J/ψ-мезонов в Pb–Pb по сравнению с p–p. Такой эффект, вероятно, связан с процессом регенерации, происходящим на температурной границе между QGP и горячим газом адронов.
Подавление состояний чармония также наблюдалось в столкновениях протонов со свинцом на LHC, в которых не образуется кварк-глюонная плазма. Это говорит о том, что наблюдаемое подавление в столкновениях протонов с ядрами (pA) обусловлено эффектами холодной ядерной материи. Для понимания богатства экспериментальных результатов требуется понимание модификации среды кваркониев и распутывание эффектов горячей и холодной материи. Сегодня доступно большое количество данных от RHIC и LHC по подавлению чармония и боттомония, и ALICE пытается различать эффекты, вызванные образованием QGP, и эффекты, вызванные эффектами холодной ядерной материи.
Анализ данных столкновений p-Pb на LHC выявил совершенно неожиданную структуру с двойным хребтом, происхождение которой пока неизвестно. Столкновения протона со свинцом (p-Pb) в 2013 году, через два года после столкновений с тяжелыми ионами, открыли новую главу в исследовании свойств деконфайнментированного, хирально симметричного состояния QGP. Удивительная корреляция ближней стороны, дальнего радиуса (вытянутая по псевдобыстроте), образующая гребнеобразную структуру, наблюдаемую в столкновениях pp с высокой множественностью, была также обнаружена в столкновениях p-Pb с высокой множественностью, но с гораздо большей амплитудой. [44] Однако самым большим сюрпризом стало наблюдение, что этот ближний гребень сопровождается по существу симметричным дальним гребнем, противоположным по азимуту (CERN Courier March 2013 p. 6). Этот двойной гребень был обнаружен после того, как корреляции на коротких расстояниях, возникающие из-за фрагментации струи и резонансных распадов, были подавлены путем вычитания распределения корреляции, измеренного для событий с низкой множественностью, из распределения для событий с высокой множественностью.
Похожие дальнодействующие структуры в столкновениях тяжелых ионов были приписаны коллективному потоку частиц, испускаемых термализованной системой, подвергающейся коллективному гидродинамическому расширению. Эту анизотропию можно охарактеризовать с помощью коэффициентов vn (n = 2, 3, ...) разложения Фурье одночастичного азимутального распределения. Чтобы дополнительно проверить возможное присутствие коллективных явлений, коллаборация ALICE расширила двухчастичный корреляционный анализ на идентифицированные частицы, проверив потенциальное массовое упорядочение гармонических коэффициентов v2. Такое упорядочение по массе наблюдалось в столкновениях тяжелых ионов, где оно было интерпретировано как возникающее из общего радиального усиления — так называемого радиального потока — в сочетании с анизотропией в импульсном пространстве. Продолжая сюрпризы, четкое упорядочение по массе частиц, подобное наблюдаемому в среднецентральных столкновениях Pb–Pb (CERN Courier, сентябрь 2013 г.), было измерено в столкновениях p–Pb с высокой множественностью.
Последний сюрприз, на данный момент, исходит от состояний чармония. В то время как образование J/ψ не обнаруживает никакого неожиданного поведения, образование более тяжелого и менее связанного (2S) состояния указывает на сильное подавление (0,5–0,7) относительно J/ψ по сравнению с p–p столкновениями. Является ли это намеком на эффекты среды? Действительно, в столкновениях тяжелых ионов такое подавление было интерпретировано как последовательное плавление состояний кваркониев в зависимости от их энергии связи и температуры QGP, созданной в этих столкновениях.
Первая кампания по измерению p–Pb, ожидаемые результаты широко сопровождались непредвиденными наблюдениями. Среди ожидаемых результатов — подтверждение того, что столкновения протонов с ядрами предоставляют подходящий инструмент для детального изучения партонной структуры холодной ядерной материи. Сюрпризы возникли из-за сходства нескольких наблюдаемых между столкновениями p–Pb и Pb–Pb, что намекает на существование коллективных явлений в столкновениях p–Pb с высокой множественностью частиц и, в конечном итоге, на образование QGP. [45]
Основным мероприятием по модернизации ALICE во время Длительного отключения LHC 1 стала установка двухструйного калориметра (DCAL), расширения существующей системы EMCAL, которая добавляет 60° азимутального приема в противовес существующим 120° приема EMCAL. Этот новый субдетектор будет установлен на дне соленоидного магнита, в котором в настоящее время размещены три модуля фотонного спектрометра (PHOS). Кроме того, будут установлены совершенно новая система рельсов и люлька для поддержки трех модулей PHOS и восьми модулей DCAL, которые вместе весят более 100 тонн. Последует установка пяти модулей TRD, что завершит эту сложную систему детекторов, состоящую из 18 блоков.
В дополнение к этим основным детекторным мероприятиям, все 18 субдетекторов ALICE претерпели значительные усовершенствования в ходе LS1, при этом были заменены компьютеры и диски онлайн-систем, а затем обновлены операционные системы и онлайн-программное обеспечение.
Все эти усилия направлены на то, чтобы гарантировать, что ALICE будет в хорошей форме в течение трехлетнего периода работы LHC после LS1, когда коллаборация рассчитывает на столкновения тяжелых ионов при максимальной энергии LHC 5,5 ТэВ/нуклон при светимостях, превышающих 1027 Гц/ см2 .
Сотрудничество ALICE планирует провести масштабную модернизацию во время следующего длительного простоя, LS2, который был запланирован на 2018 год. Затем весь кремниевый трекер будет заменен системой трекера с монолитными пикселями, созданной на основе чипов ALPIDE; камера проекции времени будет модернизирована детекторами на основе газообразных электронных умножителей (GEM) для непрерывного считывания и использования новой микроэлектроники; а все остальные субдетекторы и онлайн-системы будут готовы к 100-кратному увеличению количества событий, записываемых на ленту.
Медиа, связанные с ALICE на Wikimedia Commons