ALICE deneyi - ALICE experiment

Koordinatlar : 46°15′04.8″K 6°01′12.5″E / 46.251333°K 6.020139°D / 46.251333; 6.020139

ALICE, Büyük Bir İyon Çarpıştırıcı Deneyi

ALICE dedektörünün genel görünümü
oluşum	Temmuz 1993'te sunulan Niyet Mektubu
Merkez	Cenevre , İsviçre
ALICE Sözcülerinin Listesi	Luciano Musa Federico Antinori Paolo Giubellino Jurgen Schukraft
İnternet sitesi	http://aliceinfo.cern.ch/

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı
(LHC)

LHC deneyleri
ATLAS	Toroidal LHC Aparatı
İYS	Kompakt Müon Solenoidi
LHCb	LHC-güzellik
ALICE	Büyük Bir İyon Çarpıştırıcı Deneyi
TOTEM	Toplam Kesit, Elastik Saçılma ve Kırınım Ayrışması
LHCf	LHC-ileri
MoEDAL	LHC'de Monopol ve Exotics Dedektörü
FAZER	İleri Arama Deneyi
SND	Saçılma ve Nötrino Dedektörü
LHC ön hızlandırıcıları
p ve Pb	Protonlar (Linac 4) ve kurşun (Linac 3) için doğrusal hızlandırıcılar
(işaretlenmemiş)	Proton Senkrotron Güçlendirici
PS	Proton Senkrotron
SPS	Süper Proton Senkrotron

ALICE ( A Large Ion Collider Experiment ) sekiz biridir detektör de deneyler Büyük Hadron Çarpıştırıcısı de CERN'e . Diğer yedi tanesi: ATLAS , CMS , TOTEM , LHCb , LHCf , MoEDAL ve FASER .

Tanıtım

Deneyin 18 dedektörünü gösteren ALICE'ın bilgisayar tarafından oluşturulmuş kesit görünümü.

ALICE, nükleon çifti başına 5.02 TeV'ye kadar bir kütle enerjisi merkezindeki ağır iyon ( Pb-Pb çekirdekleri ) çarpışmalarını incelemek için optimize edilmiştir . Ortaya çıkan sıcaklık ve enerji yoğunluğu , kuarkların ve gluonların serbest kaldığı beşinci bir madde durumu olan kuark-gluon plazmasının keşfedilmesine izin verir . Benzer koşulların, Büyük Patlama'dan sonra kuarkların ve gluonların hadronlar ve daha ağır parçacıklar oluşturmak üzere bir araya gelmesinden önceki saniyenin küçük bir bölümünde var olduğuna inanılıyor .

ALICE, aşırı enerji yoğunluklarında güçlü bir şekilde etkileşen maddenin fiziğine odaklanıyor. Özellikleri kuark-gluon plazması ve kuark anlayışı deconfinement temel sorunları olan kuantum renk (QCD). ALICE tarafından elde edilen sonuçlar, renk sınırlaması ve kiral simetri restorasyonunun anlaşılmasını desteklemektedir . Maddenin ilkel formunu, kuark-gluon plazmasını yeniden yaratmanın ve nasıl geliştiğini anlamanın, maddenin nasıl organize edildiği, kuarkları ve gluonları sınırlayan mekanizma ve güçlü etkileşimlerin doğası ve bunların nasıl oluştuğuna dair sorulara ışık tutması bekleniyor. sıradan maddenin kütlesinin büyük kısmı.

Kuantum kromodinamiği (QCD), yeterince yüksek enerji yoğunluklarında, kuarkların nükleer parçacıkların içinde kilitlendiği geleneksel hadronik maddeden, serbest kuarklar ve gluonlardan oluşan bir plazmaya bir faz geçişi olacağını tahmin eder. Bu geçişin tersinin, evrenin sadece 10 ^-6 yaşında olduğu zaman gerçekleştiğine inanılıyor ve bugün hala çökmekte olan nötron yıldızlarının veya diğer astrofiziksel nesnelerin kalplerinde bir rol oynayabilir.

Tarih

LHC için özel bir ağır iyon dedektörü inşa etme fikri ilk olarak Mart 1992'de Evian'ın tarihi "LHC Deneysel Programına Doğru" toplantısında yayınlandı. Orada sunulan fikirlerden yola çıkarak ALICE işbirliği kuruldu ve 1993'te bir Mektup Faiz gönderildi.

ALICE ilk olarak 1993'te merkezi bir dedektör olarak önerildi ve daha sonra 1995'te tasarlanan ek bir ileri müon spektrometresi ile tamamlandı. 1997'de ALICE, nihai tasarım ve inşaata doğru ilerlemek için LHC Komitesinden yeşil ışık aldı.

İlk on yıl tasarım ve kapsamlı bir Ar-Ge çalışmasıyla geçti. Diğer tüm LHC deneylerinde olduğu gibi, LHC'deki ağır iyon fiziğinin zorluklarının da mevcut teknolojiyle gerçekten karşılanamayacağı (ne de ödenemeyeceği) en başından belli oldu. Fizikçilerin deneyleri için kağıt üzerinde hayal ettiklerini temel üzerine inşa etmek için önemli ilerlemeler ve bazı durumlarda teknolojik bir atılım gerekli olacaktır. 1990'ların çoğunda sürdürülen başlangıçta çok geniş ve daha sonra daha odaklı, iyi organize edilmiş ve iyi desteklenen Ar-Ge çabası, dedektörler, elektronik ve bilgisayar alanlarında birçok evrimsel ve bazı devrim niteliğinde ilerlemelere yol açmıştır.

90'ların başında, yaklaşık 15 yıl sonra LHC'de kullanılmak üzere özel bir ağır iyon deneyi tasarlamak, bazı göz korkutucu zorluklar doğurdu. Dedektörün genel amaçlı olması gerekiyordu - ilgileri ancak daha sonra ortaya çıksa bile potansiyel ilgi çekici sinyallerin çoğunu ölçebiliyordu - ve esnek olmalı, yeni araştırma yolları açıldıkça eklemelere ve değişikliklere izin vermeliydi. Her iki açıdan da ALICE oldukça başarılıydı, çünkü başlangıç ​​menüsünde önemi ancak daha sonra anlaşılan bir dizi gözlemlenebilir öğe içeriyordu. 1995'teki müon spektrometresinden, 1999'daki geçiş radyasyonu detektörlerinden 2007'de eklenen büyük bir jet kalorimetresine kadar çeşitli ana algılama sistemleri eklendi.

ALICE, 2010 yılında LHC'deki ilk kurşun-kurşun çarpışmalarından elde edilen verileri kaydetti. 2010 ve 2011'deki ağır iyon dönemlerinde alınan veri setlerinin yanı sıra 2013'ten gelen proton-kurşun verileri, derinlemesine bir bakış için mükemmel bir temel sağladı. kuark-gluon plazmasının fiziği.

2014 itibariyle Üç yıldan fazla başarılı bir çalışmadan sonra, ALICE dedektörü, CERN'in hızlandırıcı kompleksinin uzun süreli kapanması [LS1] sırasında büyük bir konsolidasyon ve yükseltme programından geçmek üzere. Dijet kalorimetre (DCAL) adı verilen yeni bir alt dedektör kurulacak ve mevcut ALICE alt dedektörlerinin 18'inin tümü yükseltilecek. Ayrıca, elektrik ve soğutma sistemleri dahil olmak üzere ALICE altyapısı üzerinde büyük çaplı yenileme çalışmaları yapılacaktır. Yayınlanmış bilimsel sonuçların zenginliği ve ALICE'nin çok yoğun yükseltme programı, dünyanın her yerinden çok sayıda enstitü ve bilim insanını kendine çekmiştir. Bugün ALICE İşbirliğinin 41 ülkedeki 176 enstitüden gelen 1800'den fazla üyesi var.

LHC'de ağır iyon çarpışmaları

Quark Gluon plazma aramaları ve QCD'nin daha derin bir şekilde anlaşılması, 1980'lerde daha hafif iyonlarla CERN ve Brookhaven'da başladı. Bu laboratuvarlardaki günümüz programı, ağır iyonların aşırı göreli çarpışmalarına geçti ve faz geçişinin gerçekleşmesinin beklendiği enerji eşiğine yeni ulaştı. Yaklaşık 5,5 TeV/nükleon kütle merkezi enerjisine sahip LHC, enerji erişimini daha da ileriye taşıyacaktır.

LHC'deki kurşun iyonlarının kafa kafaya çarpışmaları sırasında, yüzlerce proton ve nötron, birkaç TeV'nin yukarısındaki enerjilerde birbirine çarpar. Kurşun iyonları, ışık hızının %99,9999'undan fazlasına hızlandırılır ve LHC'deki çarpışmalar, protonlarınkinden 100 kat daha enerjiktir - etkileşimdeki maddeyi ısıtmak, çekirdeğin sıcaklığından neredeyse 100.000 kat daha yüksek bir sıcaklığa işaret eder. Güneş.

İki öncü çekirdek birbirine çarptığında, madde kısa bir an için bir ilkel madde damlacığı oluşturmak üzere bir geçişe uğrar , Büyük Patlama'dan birkaç mikrosaniye sonra evreni doldurduğuna inanılan kuark-gluon plazması denir .

Kuark-gluon plazma elementel bileşenlerine "erime", proton ve nötron oluşturulur, kuark ve Gluonlar asimptotik serbest hale gelir. QGP damlacığı anında soğur ve bireysel kuarklar ve gluonlar (topluca partonlar olarak adlandırılır ), her yöne hızla uzaklaşan sıradan bir madde kar fırtınasında yeniden birleşir. Enkaz, kuark ve antikuarktan oluşan pion ve kaon gibi parçacıklar içerir ; üç kuarktan oluşan protonlar ve nötronlar ; ve hatta helyum kadar ağır antiatomların çekirdeklerini oluşturmak için birleşebilen bol antiprotonlar ve antinötronlar . Bu enkazın dağılımını ve enerjisini inceleyerek çok şey öğrenilebilir.

İlk kurşun kurşun çarpışmaları

ALICE dedektörü tarafından kaydedildiği gibi, LHC'nin ilk kurşun iyon çarpışmalarından biri.

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı, ilk kurşun iyonlarını 2010'da 7 Kasım'da CET saat 12:30 civarında parçaladı.

ALICE, ATLAS ve CMS dedektörlerinin merkezindeki ilk çarpışmalar, LHC'nin ilk proton akışını bitirip hızlanan kurşun-iyon ışınlarına geçmesinden 72 saatten kısa bir süre sonra gerçekleşti. Her kurşun çekirdeği 82 proton içerir ve LHC, her protonu 3.5 TeV'lik bir enerjiye hızlandırır, böylece ışın başına 287 TeV'lik bir enerji veya 574 TeV'lik bir toplam çarpışma enerjisi ile sonuçlanır.

Her çarpışmadan, burada çarpışma noktasından yayılan çizgiler olarak gösterilen 3.000'e kadar yüklü parçacık yayıldı. Çizgilerin renkleri, her parçacığın çarpışmadan ne kadar enerji taşıdığını gösterir.

LHC'de proton-kurşun çarpışmaları

13 Eylül 2012'de ALICE Deneyi tarafından 5,02 TeV'lik çarpışan nükleon-nükleon çifti başına kütle enerjisi merkezinde kaydedilen Proton-Kurşun iyon çarpışması.

2013'te LHC , LHC'nin 2013'ün ilk fizik ışınları için protonları kurşun iyonlarıyla çarpıştı. Deney, proton ve kurşun iyonlarının ters yönde dönen ışınlarıyla yürütüldü ve farklı devir frekanslarına sahip merkezlenmiş yörüngelerle başladı ve daha sonra ayrı ayrı rampalandı. hızlandırıcının maksimum çarpışma enerjisi.

LHC'deki ilk kurşun-proton çalışması bir ay sürdü ve veriler ALICE fizikçilerinin plazmanın etkilerini soğuk nükleer madde etkilerinden kaynaklanan etkilerden ayırmasına ve Quark-Gluon plazma çalışmasına daha fazla ışık tutmasına yardımcı oldu.

Kurşun-kurşun çarpışmaları durumunda, gelen kurşun çekirdeğinin protonlarını ve nötronlarını oluşturan kuarkların ve gluonların konfigürasyonları, gelen protonlardakinden biraz farklı olabilir. Kurşun-kurşun ve proton-proton çarpışmalarını karşılaştırırken gördüğümüz etkilerin bir kısmının plazmanın oluşumundan ziyade bu konfigürasyon farklılığından kaynaklanıp kaynaklanmadığını incelemek için. Proton-kurşun çarpışmaları bu çalışma için ideal bir araçtır.

ALICE dedektörleri

ALICE'ın tasarımla ilgili önemli bir düşüncesi, bu aşırı koşullar altında QCD ve kuark (de) sınırlamasını inceleme yeteneğidir. Bu, genişleyen ve soğuyan sıcak hacmin içinde oluşturulan, etkileşim bölgesi çevresinde bulunan hassas dedektör katmanlarına ulaşacak kadar uzun yaşayan parçacıklar kullanılarak yapılır. ALICE'ın fizik programı, hepsinin tanımlanabilmesine, yani bunların elektron, foton, pion vb. olup olmadığının belirlenmesine ve yüklerinin belirlenmesine dayanır. Bu, parçacıkların madde ile etkileşime girdiği (bazen biraz) farklı yollardan en iyi şekilde yararlanmayı içerir.

"Geleneksel" bir deneyde, parçacıklar , dedektörde bıraktıkları karakteristik imzalarla tanımlanır veya en azından ailelere (yüklü veya nötr hadronlar ) atanır . Deney birkaç ana bileşene bölünmüştür ve her bileşen belirli bir parçacık özelliklerini test eder. Bu bileşenler katmanlar halinde istiflenir ve parçacıklar, çarpışma noktasından dışa doğru sırayla katmanlardan geçer: önce bir izleme sistemi, daha sonra bir elektromanyetik (EM) ve bir hadronik kalorimetre ve son olarak bir müon sistemi. Dedektörler, momentum ve yük tespiti için yüklü parçacıkların izlerini bükmek için bir manyetik alana gömülür . Parçacık tanımlamaya yönelik bu yöntem yalnızca belirli parçacıklar için iyi çalışır ve örneğin büyük LHC deneyleri ATLAS ve CMS tarafından kullanılır . Ancak bu teknik, Pb-Pb çarpışmalarında üretilen farklı yüklü hadronları ayırt etmeye izin vermediği için hadron tanımlaması için uygun değildir.

QGP sisteminden çıkan tüm parçacıkları tanımlamak için ALICE, parçacıkların kütlesi, hızı ve elektriksel işareti hakkında bilgi veren 18 detektör seti kullanıyor.

namlu takibi

Sıcak, yoğun ortamdan uçan tüm parçacıkları izlemek için nominal etkileşim noktasını çevreleyen bir silindirik varil dedektörleri topluluğu kullanılır. İç Takip Sistemi(ITS) (üç katman dedektörden oluşur: Silikon Piksel Dedektörü(SPD), Silikon Kayma Dedektörü(SDD), Silikon Şerit Dedektörü(SSD), Zaman Projeksiyon Odası(TPC) ve Geçiş Radyasyonu Dedektörü( TRD) bir elektrik yükü taşıyan her parçacığın geçişini birçok noktada ölçer ve parçacığın yörüngesi hakkında kesin bilgi verir. ALICE varil izleme dedektörleri, parçacıkların yörüngelerini büken devasa bir manyetik solenoid tarafından üretilen 0,5 Tesla'lık bir manyetik alana gömülüdür. İzlerin eğriliğinden, momentumları türetilebilir. ITS o kadar kesindir ki, uzun (çürümeden önce ~.1 mm) yaşam süresi olan diğer parçacıkların bozunmasıyla oluşan parçacıklar, etkileşimin gerçekleştiği noktadan (çürümeden önce) kaynaklanmadıkları görülerek tanımlanabilir. olayın " tepe noktası ") değil, milimetrenin onda biri kadar küçük bir mesafedeki bir noktadan. Bu, örneğin, "topolojik" kesimler yoluyla nispeten uzun ömürlü bir B-mezonuna bozunan alt kuarkları ölçmemizi sağlar.

İç Takip Sistemi

ALICE İç Takip Sistemi Kurulumu

Kısa ömürlü ağır parçacıklar, çürümeden önce çok küçük bir mesafe katederler. Bu sistem, meydana geldiği yeri milimetrenin onda biri hassasiyetle ölçerek bu bozulma olaylarını tanımlamayı amaçlar.

İç İzleme Sistemi (ITS), altı silindirik silikon dedektör katmanından oluşur . Katmanlar çarpışma noktasını çevreler ve çarpışmalardan ortaya çıkan parçacıkların özelliklerini ölçerek geçiş konumlarını milimetrenin bir fraksiyonuna işaret eder. ITS'nin yardımıyla, ağır kuarklar (çekicilik ve güzellik) içeren parçacıklar, bozundukları koordinatlar yeniden oluşturularak tanımlanabilir.

ITS katmanları (etkileşim noktasından sayılır):

• 2 kat SPD ( Silikon Piksel Dedektörü ),
• 2 kat SDD ( Silikon Drift Dedektörü ),
• 2 kat SSD ( Silikon Şerit Dedektörü ).

ITS, büyük bir Ar-Ge aşamasının ardından Mart 2007'de ALICE deneyinin kalbine yerleştirildi. En hafif malzemenin en küçük miktarlarını kullanan ITS, mümkün olduğunca hafif ve hassas yapılmıştır. Yaklaşık 5 m ile ² çift taraflı silikon şerit detektör fazla 1 m ² silikon sürüklenme detektör, bu silikon detektör iki tipleri kullanılarak büyük bir sistemdir.

ALICE yakın zamanda, birincil tepe noktasına etki parametresinin (d0) belirlenmesi, düşük pT'de izleme verimliliği ve okuma hızı yetenekleri açısından büyük ölçüde geliştirilmiş özelliklere sahip yeni bir silikon izleyici oluşturmaya dayalı, yükseltilmiş bir İç İzleme Sistemi için planlar sunmuştur. Yükseltilmiş ITS, QCD'nin bu yoğun fazının dinamiklerini anlamak için gerekli olan LHC'de oluşturulan Quark Gluon Plazma çalışmasında yeni kanallar açacaktır.

Ağır aromalı ve güzel baryonları ölçerek ve bu ölçümleri ilk kez çok düşük p _T'ye kadar genişleterek ortamdaki ağır kuarkların termalleştirilmesi sürecinin incelenmesine olanak sağlayacaktır . Ayrıca, ortam içi enerji kaybının kuark kütle bağımlılığının daha iyi anlaşılmasını sağlayacak ve güzellik kuarklarını ölçmek için benzersiz bir yetenek sunarken aynı zamanda güzellik çürümesi tepe noktası yeniden yapılandırmasını iyileştirecektir. Son olarak, yükseltilmiş ITS bize QGP'den gelen termal radyasyonu ve hadronik spektral fonksiyonların kiral simetri restorasyonu ile ilgili olarak ortadaki modifikasyonunu karakterize etme şansı verecektir .

Yükseltme projesi, dünyanın her yerindeki araştırmacılarımız ve işbirlikçilerimiz tarafından en son teknolojiler üzerinde kapsamlı bir Ar-Ge çabası gerektiriyor: silikon sensörler, düşük güçlü elektronikler, ara bağlantı ve paketleme teknolojileri, ultra hafif mekanik yapılar ve soğutma üniteleri.

Zaman Projeksiyon Odası

Parçacık izleme ve tanımlama için kullanılan ALICE Zaman Projeksiyon Odası .

ALICE Zaman Projeksiyon Odası (TPC), algılama ortamı olarak bir gazla doldurulmuş büyük bir hacimdir ve ALICE'deki ana parçacık izleme cihazıdır.

TPC'nin gazını geçen yüklü parçacıklar, yolları boyunca gaz atomlarını iyonize ederek dedektörün uç plakalarına doğru sürüklenen elektronları serbest bırakır. Bir ortamdan geçen hızlı yüklü parçacıkların neden olduğu iyonizasyon sürecinin özellikleri, parçacık tanımlaması için kullanılabilir. İyonlaşma kuvvetinin hız bağımlılığı , ortamın atomik elektronları ile esnek olmayan Coulomb çarpışmaları yoluyla yüklü parçacıkların ortalama enerji kaybını tanımlayan iyi bilinen Bethe-Bloch formülüyle bağlantılıdır .

Çok telli orantılı sayaçlar veya katı hal sayaçları, iyonizasyon kuvvetiyle orantılı darbe yüksekliklerine sahip sinyaller sağladıklarından, algılama ortamı olarak sıklıkla kullanılır. Bir çığ etkisi okuma bölmelerde sinirli anot tellerin yakın gerekli sinyal amplifikasyon verir. Çığda oluşturulan pozitif iyonlar, ped düzleminde pozitif bir akım sinyali indükler. Okuma , uç plakalarda bulunan çok telli orantılı odaların ( MWPC ) katot düzlemini oluşturan 557 568 pedler tarafından gerçekleştirilir . Bu, kirişe ve azimut'a radyal mesafeyi verir. Kiriş yönü boyunca son koordinat olan z, sürüklenme süresi tarafından verilir. Enerji kaybı dalgalanmaları önemli olabileceğinden, iyonizasyon ölçümünün çözünürlüğünü optimize etmek için genel olarak parçacık yolu boyunca birçok darbe yüksekliği ölçümü yapılır.

TPC'nin hacminin neredeyse tamamı, çapraz yüklü parçacıklara karşı hassastır, ancak minimum malzeme bütçesine sahiptir. Basit örüntü tanıma (sürekli izler), TPC'leri, binlerce parçacığın aynı anda izlenmesi gereken ağır iyon çarpışmaları gibi çok sayıdaki ortamlar için mükemmel bir seçim haline getirir. ALICE TPC içinde, tüm izlerin iyonizasyon gücü 159 kata kadar örneklenir ve iyonizasyon ölçümünün %5 kadar iyi bir çözünürlüğü ile sonuçlanır.

Geçiş radyasyon dedektörü

On sekiz TRD modülünü gösteren tamamlanmış ALICE dedektörü (radyal bir düzenlemede yamuk prizmalar).

Elektronlar ve pozitronlar emisyon kullanılarak diğer yüklü parçacıklardan ayırt edilebilir geçiş radyasyon , X-ışınları parçacıkların ince malzemelerin birçok katmanı geçerken yayılan.

Elektronların ve pozitronların tanımlanması, bir geçiş radyasyon detektörü (TRD) kullanılarak elde edilir. Müon spektrometresine benzer bir şekilde, bu sistem vektör-mezon rezonanslarının üretiminin ayrıntılı çalışmalarını mümkün kılar, ancak kapsamı hafif vektör-meson ρ'ya kadar ve farklı bir hız bölgesinde genişler. 1 GeV/c'nin altında elektronlar, TPC'deki partikül tanımlama detektörü (PID) ölçümlerinin ve uçuş süresi (TOF) kombinasyonu yoluyla tanımlanabilir. 1-10 GeV/c momentum aralığında, elektronların özel bir "radyatör" içinden geçerken TR oluşturabilmesi gerçeğinden yararlanılabilir. Böyle bir radyatörün içinde, hızlı yüklü parçacıklar, farklı dielektrik sabitlerine sahip malzemeler arasındaki sınırları geçer ve bu, X-ışını aralığında enerjilere sahip TR fotonlarının emisyonuna yol açabilir. Etki çok küçüktür ve radyatör, en az bir foton üretmeye yetecek kadar yüksek bir olasılığa ulaşmak için yüzlerce malzeme sınırı sağlamalıdır. ALICE TRD'de, TR fotonları, ksenon bazlı gaz karışımıyla doldurulmuş MWPC'ler kullanılarak radyatörün hemen arkasında algılanır ve burada enerjilerini parçacığın izinden gelen iyonizasyon sinyallerinin üzerine bırakırlar.

ALICE TRD, yüksek momentumlu yüklü parçacıklar için hızlı bir tetikleyici türetmek üzere tasarlanmıştır ve vektör mezonlarının kaydedilen verimlerini önemli ölçüde artırabilir. Bu amaçla, yüksek momentumlu izler için adayları belirlemek ve bunlarla ilişkili enerji birikimini mümkün olduğunca çabuk analiz etmek için (sinyaller dedektörde hala oluşturulurken) 250.000 CPU doğrudan dedektöre kurulur. Bu bilgi, yalnızca 6 μs içinde elektron-pozitron iz çiftlerini aramak için tüm bilgileri birleştiren küresel bir izleme birimine gönderilir.

ALICE için böyle bir Geçiş Radyasyon Dedektörü (TRD) geliştirmek için birçok dedektör prototipi, karışık pion ve elektron demetlerinde test edildi .

ALICE ile parçacık tanımlama

ALICE ayrıca her parçacığın elektron mu, proton mu, kaon mu yoksa pion mu olduğunu bilmek ister.

Yüklü hadronlar (aslında tüm kararlı yüklü parçacıklar), kütleleri ve yükleri belirlenirse kesin olarak tanımlanır. Kütle, momentum ve hız ölçümlerinden çıkarılabilir. Momentum ve yükün işareti, parçacığın manyetik alanda izlediği yolun eğriliği ölçülerek elde edilir. Parçacık hızını elde etmek için uçuş süresi ve iyonizasyon ölçümlerine ve geçiş radyasyonu ve Cherenkov radyasyonunun saptanmasına dayanan dört yöntem vardır. Bu yöntemlerin her biri, farklı momentum aralıklarında veya belirli parçacık türleri için iyi çalışır. ALICE'de, örneğin parçacık spektrumlarını ölçmek için bu yöntemlerin tümü birleştirilebilir.

ITS ve TPC tarafından verilen bilgilere ek olarak, daha özel dedektörlere ihtiyaç vardır: TOF, her parçacığın tepe noktasından ona ulaşması için geçen süreyi saniyenin milyarda birinden daha iyi bir hassasiyetle ölçer. böylece biri hızını ölçebilir. Yüksek momentumlu parçacık tanımlama dedektörü (HMPID), hızlı parçacıklar tarafından üretilen zayıf ışık modellerini ölçer ve TRD, farklı malzemeleri geçerken çok hızlı parçacıkların yaydığı özel radyasyonu ölçer ve böylece elektronları tanımlamaya olanak tanır. Müonlar, maddeye diğer parçacıkların çoğundan daha kolay nüfuz etmeleri gerçeğinden yararlanılarak ölçülür: ileri bölgede çok kalın ve karmaşık bir emici diğer tüm parçacıkları durdurur ve müonlar özel bir dedektör seti tarafından ölçülür: müon spektrometresi.

Uçuş süresi

Yüklü parçacıklar ALICE'de Uçuş Süresi (TOF) ile tanımlanır. TOF ölçümleri, iz yörüngesi boyunca belirli bir mesafe boyunca uçuş süresini ölçerek yüklü bir parçacığın hızını verir. Diğer dedektörlerden gelen izleme bilgilerini kullanarak, bir sensörü ateşleyen her iz tanımlanır. Momentumun da bilinmesi koşuluyla, parçacığın kütlesi bu ölçümlerden türetilebilir. ALICE TOF dedektörü, 3,7 metre (12 ft) iç yarıçap ile 141 m ² silindirik bir yüzeyi kaplayan çok aralıklı dirençli plaka odalarına (MRPC'ler) dayanan geniş alanlı bir dedektördür . 100 ps 150 m geniş yüzeyi üzerine dağıtılan yaklaşık zaman çözünürlüğü ile 160 000 MRPC balatalarının yaklaşık bulunmaktadır ² .

MRPC'ler, yüksek elektrik alanlı dar gaz boşlukları oluşturmak için ince standart pencere camından yapılmış paralel plakalı dedektörlerdir. Bu plakalar, istenen aralığı sağlamak için misina kullanılarak ayrılır; %100'e yakın bir algılama verimliliğine ulaşmak için MRPC başına 10 gaz boşluğu gereklidir.

Yapının basitliği, nispeten düşük bir maliyetle 80 ps'lik toplam TOF çözünürlüğü ile büyük bir sistemin oluşturulmasına izin verir (CERN Courier Kasım 2011 s8). Bu performans, kaonların, pionların ve protonların birkaç GeV/c'lik momentuma kadar ayrılmasını sağlar. Böyle bir ölçümün ALICE TPC'den alınan PID bilgisi ile birleştirilmesinin, belirli bir momentum aralığı için Şekil 3'te gösterildiği gibi, farklı parçacık türleri arasındaki ayrımın iyileştirilmesinde faydalı olduğu kanıtlanmıştır.

Yüksek Momentumlu Parçacık Tanımlama Dedektörü

ALICE mıknatısının içine son kurulumdan önce HMPID dedektörü.

Yüksek momentum Parçacık Tanımlama Dedektörü (HMPID) a, ZENGİN detektör (ITS ve TPC, enerji kaybı ile mevcut ivme aralığının dışındaki parçacıkların hızını belirlemek için p  , TOF olarak (= 600 MeV'lik) ve time-of-flight ölçümlerle p  = 1.2–1.4 GeV).

Cherenkov radyasyonu, bir malzemede o malzemedeki ışık hızından daha hızlı hareket eden yüklü parçacıkların neden olduğu bir şok dalgasıdır. Radyasyon, parçacık hızına bağlı olan parçacık izine göre karakteristik bir açıyla yayılır. Cherenkov dedektörleri bu etkiden yararlanır ve genel olarak iki ana unsurdan oluşur: Cherenkov radyasyonunun üretildiği bir radyatör ve bir foton dedektörü. Halka görüntüleme Cherenkov (RICH) dedektörleri, odaklanmış Cherenkov radyasyonunun halka şeklindeki görüntüsünü çözerek Cherenkov açısının ve dolayısıyla parçacık hızının ölçülmesini sağlar. Bu da yüklü parçacığın kütlesini belirlemek için yeterlidir.

Yoğun bir ortam (büyük kırılma indisi) kullanılıyorsa, yeterli sayıda Cherenkov fotonu yaymak için yalnızca birkaç santimetre mertebesinde ince bir radyatör tabakası gerekir. Foton detektörü daha sonra radyatörün arkasına belirli bir mesafeye (genellikle yaklaşık 10 cm) yerleştirilir ve ışık konisinin genişlemesine ve karakteristik halka şeklindeki görüntüyü oluşturmasına izin verir. Böyle bir yakınlığa odaklanan RICH, ALICE deneyinde kurulur.

ALICE HMPID'in momentum aralığı, pion/ kaon ayrımı için 3 GeV'a kadar ve kaon/ proton ayrımı için 5 GeV'a kadardır . 11 m² aktif alanı ile dünyanın en büyük sezyum iyodür ZENGİN dedektörüdür. Bir prototip başarıyla 1997 yılında CERN'de test edilmiş ve şu anda bilgisini alıyor edildi Göreli Ağır İyon Çarpıştırıcısı de Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nda ABD'de.

kalorimetreler

Kalorimetreler, parçacıkların enerjisini ölçer ve elektromanyetik veya hadronik etkileşimleri olup olmadığını belirler. Kalorimetrede Parçacık Tanımlama, yıkıcı bir ölçümdür. Müonlar ve nötrinolar dışındaki tüm parçacıklar, elektromanyetik veya hadronik duşlar üreterek tüm enerjilerini kalorimetre sisteminde biriktirir. Fotonlar, elektronlar ve pozitronlar tüm enerjilerini bir elektromanyetik kalorimetrede biriktirirler. Duşları ayırt edilemez, ancak bir foton, duşla ilişkili izleme sisteminde bir izin olmamasıyla tanımlanabilir.

Fotonlar (ışık parçacıkları), sıcak bir nesneden yayılan ışık gibi, bize sistemin sıcaklığı hakkında bilgi verir. Bunları ölçmek için özel dedektörler gereklidir: kurşun kadar yoğun ve cam kadar şeffaf olan PHOS kristalleri, onları sınırlı bir bölgede fantastik bir hassasiyetle ölçerken, PMD ve özellikle EMCal bunları ölçecektir. çok geniş bir alan. EMCal ayrıca olayın ilk aşamalarının hafızasına sahip olan yakın parçacık gruplarını ("jetler" olarak adlandırılır) da ölçecektir.

foton spektrometresi

CERN, Apatity tesisi ve RRC "Kurchatov Enstitüsü" arasında yakın işbirliği içinde PWO kristallerinin seri üretimi için bir teknoloji geliştirilmiştir.

PHOS, çarpışmanın ilk aşamasının termal ve dinamik özelliklerini test etmek için veri sağlamak için ALICE'ye kurulmuş yüksek çözünürlüklü bir elektromanyetik kalorimetredir. Bu, doğrudan çarpışmadan çıkan fotonları ölçerek yapılır. PHOS, merkezi hızda sınırlı bir kabul alanını kapsar. Çığ Fotodiyotları (APD) kullanılarak okunan, CMS tarafından kullanılanlara benzer kurşun tungstat kristallerinden yapılmıştır .

Yüksek enerjili fotonlar kurşun tungstatına çarptığında, onu parlatır veya parıldatır ve bu parıltı ölçülebilir. Kurşun tungstat son derece yoğundur (demirden daha yoğun), kendisine ulaşan çoğu fotonu durdurur. Kristaller 248 K sıcaklıkta tutulur, bu da gürültü nedeniyle enerji çözünürlüğünün bozulmasını en aza indirmeye ve düşük enerjiler için yanıtı optimize etmeye yardımcı olur.

Elektro-Manyetik Kalorimetre

EMCal, on süper modül halinde gruplandırılmış yaklaşık 13.000 ayrı kuleden oluşan bir kurşun sintilatör örnekleme kalorimetresidir. Kuleler, bir çığ fotodiyoduna bağlı bir shashlik geometrisinde dalga boyu kaydırmalı optik fiberler tarafından okunur. Komple EMCal, toplamda yaklaşık 100 ton ağırlığında 100.000 ayrı sintilatör karosu ve 185 kilometre optik fiber içerecek.

EMCal, ALICE Zaman Projeksiyon Odası ve merkezi dedektörün neredeyse tamamını kapsar ve azimutunun üçte biri, daha küçük, oldukça granüler bir kurşun-tungstat kalorimetresi olan ALICE Foton Spektrometresi ile arka arkaya yerleştirilmiş.

Süper modüller, ALICE mıknatısı içinde, uçuş süresi sayaçları ve mıknatıs bobini arasında bulunan bağımsız bir destek çerçevesine yerleştirilir. Destek çerçevesinin kendisi karmaşık bir yapıdır: 20 ton ağırlığındadır ve kendi ağırlığının beş katını desteklemelidir, boş ve tam yüklü olma arasındaki maksimum sapma sadece birkaç santimetredir. Sekiz tonluk süper modüllerin montajı, destek yapısı arasında köprü kurmak için gelişmiş bir yerleştirme aygıtına sahip bir ray sistemi gerektirir.

Elektro-Manyetik Kalorimetre (EM-Cal), ALICE'ın yüksek momentumlu parçacık ölçüm yeteneklerine büyük katkı sağlayacaktır. ALICE'ın jetleri ve diğer zorlu süreçleri incelemek için erişimini genişletecek.

Foton Çokluk Dedektörü

Photon Multiplicity Detector (PMD), çarpışmalarda üretilen fotonların çokluğunu ve uzaysal dağılımını ölçen bir Partikül duş dedektörüdür. Yüklü parçacıkları reddetmek için ilk katman olarak bir veto dedektörü kullanır. Fotonlar ise bir dönüştürücüden geçerek ikinci bir dedektör katmanında elektromanyetik bir duş başlatarak hassas hacminin birkaç hücresinde büyük sinyaller üretirler. Hadronlar ise normalde sadece bir hücreyi etkiler ve minimum iyonlaştırıcı parçacıkları temsil eden bir sinyal üretir.

İleri Çokluk Dedektörü

ALICE İleri Çokluk Dedektörü

Forward Multiplicity Detector (FMD), çok sayıda yük partikülü için kapsama alanını ileri bölgelere genişleterek ALICE'a bu ölçümler için 4 LHC deneyinin en geniş kapsamını verir.

FMD, ışına göre küçük açılarda yayılan yüklü parçacıkları ölçmek için her biri 10 240 ayrı dedektör kanalına sahip 5 büyük silikon diskten oluşur. FMD, akışı, jetleri vb. araştırmak için varil dedektöründen alınan ölçümlerle kullanılabilen, dikey düzlemdeki çarpışmaların oryantasyonunun bağımsız bir ölçümünü sağlar.

müon spektrometresi

ALICE ileri müon spektrometresi, μ+μ– kanalındaki bozunmaları yoluyla ağır kuarkonyaların (J/Ψ, Ψ′, ϒ, ϒ′, ϒ′′) tam spektrumunu inceler. Ağır kuarkonyum durumları, ağır iyon çarpışmalarının erken ve sıcak aşamasını incelemek için önemli bir araç sağlar. Özellikle Quark-Gluon Plazma oluşumuna duyarlı olmaları beklenir. Yeterince yüksek enerji yoğunluğuna sahip sınırlandırılmamış bir ortamın (yani QGP) mevcudiyetinde, renkli tarama nedeniyle kuarkonyum durumları ayrışır. Bu, üretim oranlarının bastırılmasına yol açar. Yüksek LHC çarpışma enerjisinde, hem charmonium durumları (J/Ψ ve Ψ′) hem de diptonium durumları (ϒ, ϒ′ ve ϒ′′) incelenebilir. Dimuon spektrometresi, bu ağır kuark rezonanslarının tespiti için optimize edilmiştir.

ALICE müon spektrometresinin ana bileşenleri: arka planı filtrelemek için bir emici, mıknatısın önünde, içinde ve sonrasında bir dizi izleme odası ve bir dizi tetik odası.

Müonlar, herhangi bir malzemeden neredeyse hiç bozulmadan geçebilen tek yüklü parçacıklar oldukları gerçeği kullanılarak, az önce açıklanan teknik kullanılarak tanımlanabilir. Bu davranış, momentumu birkaç yüz GeV/c'nin altında olan müonların ışınımsal enerji kayıplarından etkilenmemeleri ve dolayısıyla elektromanyetik duşlar üretmemeleriyle bağlantılıdır. Ayrıca lepton oldukları için içinden geçtikleri maddenin çekirdekleri ile güçlü etkileşimlere tabi değildirler. Bu davranış, yüksek enerjili fizik deneylerindeki müon spektrometrelerinde, kalorimetre sistemlerinin arkasına veya kalın emici malzemelerin arkasına müon dedektörleri yerleştirilerek kullanılır. Müonlar dışındaki tüm yüklü parçacıklar tamamen durdurulur ve elektromanyetik (ve hadronik) sağanaklar oluşur.

ALICE'nin ön bölgesindeki müon spektrometresi, çok kalın ve karmaşık bir ön emiciye ve 1,2 m kalınlığında bir demir duvardan oluşan ek bir müon filtresine sahiptir. Bu emicilere nüfuz eden izlerden seçilen müon adayları, özel bir izleme dedektörü setinde hassas bir şekilde ölçülür. Ağır kuark vektör mezon rezonanslarının (J/Psi) spektrumunu toplamak için müon çiftleri kullanılır. Renkli taramadan kaynaklanan ayrışmayı araştırmak için üretim hızları enine momentum ve çarpışma merkeziliğinin bir fonksiyonu olarak analiz edilebilir. ALICE Muon Spektrometresinin kabulü, 2,5 ≤ η ≤ 4 yalancı hızlılık aralığını kapsar ve sıfır enine momentuma kadar rezonanslar tespit edilebilir.

Çarpışmanın karakterizasyonu

Son olarak, çarpışmanın ne kadar güçlü olduğunu bilmemiz gerekiyor: bu, ALICE'nin (ZDC'ler) her iki tarafında yaklaşık 110 metre bulunan yüksek yoğunluklu malzemelerden yapılmış dedektörlerde çarpışan çekirdeklerin kalıntılarını ölçerek ve FMD ile ölçerek yapılır, V0 ve T0 çarpışmada üretilen parçacıkların sayısı ve bunların uzaysal dağılımı. T0 ayrıca olayın gerçekleştiği zamanı da yüksek hassasiyetle ölçer.

Sıfır Derece Kalorimetre

ZN kalorimetrenin ön yüzü: Montaj sırasında iki ZN kalorimetreden biri. Kuvars lifleri, W-alaşımlı levhaların 1936 oluklarında barındırılır.

ZDC'ler, çarpışan iki çekirdeğin örtüşme bölgesini belirlemek için izleyici nükleonların enerjisini tespit eden kalorimetrelerdir. İkisi protonları (ZP) ve ikisi nötronları (ZN) algılamak için dört kalorimetreden oluşur. Tam kiriş hattı boyunca, her iki tarafta etkileşim noktasından 115 metre uzaklıkta bulunurlar. ZN, iki kiriş borusu arasına LHC kiriş eksenine göre sıfır derecede yerleştirilir. Bu nedenle onlara Sıfır Dereceli Kalorimetreler (ZDC) diyoruz. ZP, giden kiriş borusuna harici olarak yerleştirilmiştir. Seyirci protonları, dipol mıknatıs D1 vasıtasıyla iyon ışınlarından ayrılır.

ZDC'ler, bir kuvars lif matrisi tahsis etmek için yivli bir ağır metal plaka yığını tarafından yapılan "spagetti kalorimetreleridir". Çalışma prensipleri, fiberlerdeki duşun yüklü parçacıkları tarafından üretilen Cherenkov ışığının tespitine dayanmaktadır.

V0 dedektörü

V0, ALICE etkileşim noktasının her iki tarafında yer alan ve V0-A ve V0-C olarak adlandırılan iki dizi sintilatör sayacından oluşur. V0-C sayacı, dimuon kol emicinin yukarı akışında bulunur ve spektrometre kabulünü kapsarken, V0-A sayacı diğer tarafta çarpışma tepe noktasından yaklaşık 3.5 m uzağa yerleştirilecektir.

V0'ın iki diskinde biriken enerjiyi toplayarak çarpışmanın merkeziliğini tahmin etmek için kullanılır. Bu gözlemlenebilir, çarpışmada üretilen birincil parçacıkların sayısıyla ve dolayısıyla merkezilikle doğrudan ölçeklenir.

V0 ayrıca, çarpışan ışınların boyutunu ve şeklini ve dolayısıyla deneye iletilen parlaklığı veren Van Der Meer taramalarında referans olarak kullanılır.

T0 dedektörü

ALICE T0 dedektöründe kullanılan bir dizi Cherenkov sayacı.

ALICE T0, ALICE için bir başlatma, tetikleme ve parlaklık dedektörü görevi görür. Doğru etkileşim süresi (BAŞLAT), partikül tanımlaması için kullanılan Uçuş Süresi dedektörü için referans sinyali görevi görür. T0, Merkezi Tetikleme İşlemcisine beş farklı tetikleme sinyali sağlar. Bunlardan en önemlisi, set sınırları içinde kiriş ekseni boyunca birincil etkileşim noktasının konumunun hızlı ve doğru bir şekilde onaylanmasını sağlayan T0 tepe noktasıdır. Dedektör, hızlandırıcı ekibine hızlı geri bildirim sağlayan çevrimiçi parlaklık izleme için de kullanılır.

T0 dedektörü , etkileşim noktasının (IP) karşı taraflarına yerleştirilmiş iki Cherenkov sayacı dizisinden (T0-C ve T0-A) oluşur. Her dizide, bir kuvars radyatör ve bir fotoçoğaltıcı tüp ile donatılmış 12 silindirik sayaç bulunur.

ALICE Kozmik Işın Dedektörü (ACORDE)

ALICE mağarası, kozmik ışın yağmurlarından gelen yüksek enerjili atmosferik müonların tespiti için ideal bir yer sağlar. ACORDE, ALICE mıknatısının tepesine müonların gelişini tetikleyerek kozmik ışın yağmurlarını algılar.

ALICE kozmik ışın tetikleyicisi, ALICE mıknatıs boyunduruğunun 3 üst yüzüne dağıtılmış 60 sintilatör modülünden yapılmıştır. Dizi, istenirse 2 katlı tesadüflerden tüm diziye kadar tekli veya çoklu müon olaylarını tetikleyecek şekilde yapılandırılabilir. ACORDE'nin yüksek parlaklığı, müon demetleri olarak adlandırılan çok sayıda paralel müon izleri ile kozmik olayların kaydedilmesine izin verir.

ACORDE ile ALICE Deneyi, şimdiye kadar kaydedilen en yüksek çeşitliliğe sahip müon demetlerini tespit edebildi ve aynı zamanda çok yüksek enerjili birincil kozmik ışınları dolaylı olarak ölçebildi.

Veri toplama

ALICE, birbirinden çok farklı iki çalışma modunda verimli bir şekilde çalışan bir veri toplama sistemi tasarlamak zorundaydı: proton-proton çarpışmaları sırasında karşılaşılan az sayıda üretilen parçacık ile çok sık görülen ancak küçük olaylar ve on binlerce ile nispeten nadir, ancak aşırı büyük olaylar. LHC'de kurşun-kurşun çarpışmalarında üretilen yeni parçacıklar ( 100 ns demet geçişli Pb-Pb'de L = 10 ²⁷ cm ^-2 s ^-1 ve 25 ns ile pp'de L = 10 ³⁰ -10 ³¹ cm ^-2 s ^-1 grup geçişleri).

ALICE veri toplama sisteminin, merkezi çarpışmalardan kaynaklanan çok büyük olayların sabit akışını kaydetme kapasitesini, nadir görülen kesit süreçlerini seçme ve kaydetme yeteneği ile dengelemesi gerekir. Bu gereksinimler, 2,5 GByte/sn'ye kadar toplu olay oluşturma bant genişliği ve 1,25 GByte/sn'ye kadar depolama kapasitesi ile sonuçlanır ve her yıl toplam 1 PByte'tan fazla veri sağlar. Şekilde gösterildiği gibi, ALICE, mevcut deney neslininkinden çok daha fazla bir veri depolama kapasitesine ihtiyaç duyar. Bu veri hızı, her saniye Encyclopædia Britannica içeriğinin altı katına eşittir.

ALICE DAQ sisteminin donanımı büyük ölçüde ticari bileşenlere dayanmaktadır: PC'ler çalıştıran Linux ve olay oluşturma ağı için standart Ethernet anahtarları. Gerekli performanslar, bu PC'lerin yüzlercesinin büyük bir DAQ dokusuna bağlanmasıyla elde edilir. ALICE DAQ'nun yazılım çerçevesine DATE (ALICE Veri Toplama ve Test Ortamı) adı verilir. DATE, denemenin yapım ve test aşamasında, son üretim sistemine doğru kademeli olarak gelişirken, bugün zaten kullanılıyor. Ayrıca AFFAIR (A Esnek Yapı ve Uygulama Bilgi Kaydedici), ALICE Veri Toplama projesi tarafından geliştirilen performans izleme yazılımıdır. AFFAIR büyük ölçüde açık kaynak koduna dayanır ve şu bileşenlerden oluşur: veri toplama, DIM kullanan düğümler arası iletişim, hızlı ve geçici döngüsel veri tabanı depolaması ve KÖK kullanarak kalıcı depolama ve çizim oluşturma.

Nihayet. ALICE deneyi Yığın Depolama Sistemi (MSS), çok yüksek bir bant genişliğini (1,25 GByte/s) birleştirir ve her yıl 1 Pbayttan fazla büyük miktarda veri depolar. Yığın depolama sistemi şunlardan oluşur: a) Deney çukurunda verilerin geçici olarak depolanmasını gerçekleştiren Küresel Veri Depolama (GDS); b) CERN Bilgi İşlem Merkezi'nde ve son olarak verilerin oluşturulmasını, erişimini ve arşivlenmesini yöneten Yığın Depolama Sistemi yazılımından verilerin uzun süreli arşivlenmesi için Kalıcı Veri Depolama (PDS).

Sonuçlar

Nükleon çifti başına 2.76 TeV kütle merkezi enerjisinde, ilk kurşun iyon çarpışmalarından ALICE deneyi tarafından kaydedilen olaylar.

ALICE'ın fizik programı aşağıdaki ana konuları içerir: i) kütlesel büyüleyici güzellik kuarklarına odaklanarak QGP'deki partonların termalleşmesinin incelenmesi ve bu ağır kuarkların QGP'nin güçlü bir şekilde birleştirilmiş ortamıyla ilgili davranışlarının anlaşılması, ii) ortamda meydana gelen enerji kaybı mekanizmalarının ve enerji kaybının parton türlerine bağımlılıklarının incelenmesi, iii) dekontinasyon sondası olabilecek kuarkonyum hallerinin ayrışması ve ortamın sıcaklığı ve son olarak sistemlerin başlangıç ​​sıcaklığını ve serbestlik derecelerini ve ayrıca faz geçişinin kiral yapısını değerlendirmekle ilgili olan QGP tarafından yayılan termal fotonların ve düşük kütleli ikilemlerin üretimi.

ALICE işbirliği, Mart 2010'da 7 TeV kütle merkezi enerjisinde LHC proton çarpışmalarından elde edilen ilk sonuçlarını sundu. Sonuçlar, yüklü parçacık çokluğunun enerjiyle beklenenden daha hızlı arttığını ve çokluk dağılımının şeklinin sabit olduğunu doğruladı. standart simülasyonlar tarafından iyi çoğaltılamaz. Sonuçlar, LHC'nin ilk çalıştırmaları sırasında ALICE deneyinin topladığı 300.000 proton-proton çarpışmasının bir örneğinin analizine dayanıyordu.

2011 yılında, ALICE İşbirliği, nükleon çifti başına 2.76 TeV kütle merkezi enerjisinde Pb-Pb çarpışmalarında oluşturulan sistemin boyutunu ölçtü. ALICE, Pb-Pb çarpışmalarında yaratılan QCD maddesinin hidrodinamik denklemlerle iyi tanımlanmış güçlü toplu hareketlerle bir sıvı gibi davrandığını doğruladı. LHC'de nükleer çarpışmalarda oluşan ateş topu daha sıcaktır, daha uzun yaşar ve RHIC'deki ağır iyon çarpışmalarında oluşan ortamdan daha büyük bir boyuta genişler. ALICE deneyi tarafından yapılan çokluk ölçümleri, sistemin başlangıçta çok daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip olduğunu ve RHIC'dekinden en az %30 daha sıcak olduğunu ve bunun sonucunda çarpışan her nükleon çifti için parçacık çeşitliliğinin yaklaşık iki katı olduğunu göstermektedir (Aamodt ve diğerleri 2010a). Özellikle bu gözlemlenebilirlerin merkeziliğe tam bağımlılığı dahil olmak üzere daha fazla analiz, sistemin özelliklerine - örneğin başlangıç ​​hızları, durum denklemi ve sıvı viskozitesi gibi - daha fazla bilgi sağlayacak ve ağır iyonun teorik modellemesini güçlü bir şekilde sınırlayacaktır. çarpışmalar.

LHC'de mükemmel bir sıvı

Sonlu bir etki parametresine sahip merkez dışı nükleer çarpışmalar, güçlü bir şekilde asimetrik "badem şeklinde" bir ateş topu yaratır. Ancak deneyler etkileşimin uzamsal boyutlarını ölçemez (özel durumlar dışında, örneğin pion üretiminde bkz.). Bunun yerine, yayılan parçacıkların momentum dağılımlarını ölçerler. Çürüyen ateş topundan yayılan parçacıkların ölçülen azimut momentum dağılımı ile başlangıçtaki uzaysal asimetri arasındaki bir korelasyon, yalnızca yaratılan maddenin bileşenleri arasındaki çoklu etkileşimlerden ortaya çıkabilir; başka bir deyişle, maddenin hal denklemi ve termodinamik taşıma özellikleri ile ilgili olarak nasıl aktığını anlatır.

Momentum uzayında parçacıkların ölçülen azimut dağılımı Fourier katsayılarına ayrıştırılabilir. Eliptik akış olarak adlandırılan ikinci Fourier katsayısı (v2), özellikle sıvının iç sürtünmesine veya viskozitesine veya daha kesin olarak, sistemin kesme viskozitesinin (η) entropiye (s) oranı olan η/s'ye duyarlıdır. . Su gibi iyi bir akışkan için η/s oranı küçüktür. Bal gibi "kalın" bir sıvı, büyük η/s değerlerine sahiptir.

LHC'deki ağır iyon çarpışmalarında, ALICE işbirliği, çarpışmada oluşturulan sıcak maddenin, alt sınırına yakın (neredeyse sıfır viskozite) η/s ile, az sürtünmeli bir sıvı gibi davrandığını buldu. Bu ölçümlerle ALICE, η/s'nin sıcaklığa bağımlılığını yeni keşfetmeye başladı ve LHC'de QGP'nin hidrodinamik özelliklerini daha da kısıtlayacak daha birçok derinlemesine akışla ilgili ölçüm bekliyoruz.

Dünyadaki en yüksek sıcaklığı ölçmek

Ağustos 2012'de, ALICE bilim adamları, deneylerinin , şimdiye kadar herhangi bir fiziksel deneyde elde edilen en yüksek sıcaklık kütlesi olan yaklaşık 5.5 trilyon kelvin sıcaklıkta kuark-gluon plazma ürettiğini açıkladı . Bu sıcaklık, Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'ndaki 2010 deneylerinde elde edilen yaklaşık 4 trilyon kelvinlik bir önceki rekordan yaklaşık %38 daha yüksektir .

ALICE sonuçları 13 Ağustos'ta Washington DC'deki Quark Matter 2012 konferansında açıklandı. Bu deneyler tarafından üretilen kuark-gluon plazması , maddenin atomlar halinde birleşmesinden önce, Big Bang'den mikrosaniyeler sonra evrende var olan koşullara yakındır .

Enerji kaybı

QCD'deki temel süreç, renk yüklerinden oluşan bir ortamda hızlı bir partonun enerji kaybıdır. Bu fenomen, "jet söndürme", gelen çekirdeklerden kuarkların ve gluonların sert saçılımının doğal olarak oluşan ürünlerini (jetleri) kullanan QGP çalışmasında özellikle yararlıdır. Oldukça enerjik bir parton (bir renk yükü), renkli ortamı, tıpkı bir X-ışınının sıradan maddeyi incelemesi gibi inceler. Hadronik çarpışmalarda bu partonik probların üretimi, pertürbatif QCD içinde iyi anlaşılmıştır. Teori ayrıca, ortamı geçen bir partonun, birçok yumuşak (düşük enerjili) gluon yayarak enerjisinin bir kısmını kaybedeceğini de gösterir. Yayılan enerjinin miktarı, ortamın yoğunluğu ve partonun ortamda kat ettiği yolun karesi ile orantılıdır. Teori ayrıca, enerji kaybının partonun tadına bağlı olduğunu tahmin eder.

Jet söndürme ilk olarak RHIC'de yüksek enine momentumlu hadronların verimleri ölçülerek gözlemlendi. Bu parçacıklar, enerjik partonların parçalanması yoluyla üretilir. Bu yüksek pT parçacıklarının merkezi çekirdek-çekirdek çarpışmalarındaki verimlerinin, proton-proton reaksiyonlarındaki ölçümlerden beklenenden beş kat daha düşük olduğu bulundu. ALICE yakın zamanda LHC'deki merkezi ağır iyon çarpışmalarında yüklü parçacıkların ölçümünü yayınladı. RHIC'de olduğu gibi, LHC'de yüksek pT hadronların üretimi güçlü bir şekilde bastırılır. Bununla birlikte, LHC'deki gözlemler niteliksel olarak yeni özellikler göstermektedir. ALICE'den gelen gözlem, sert parton saçılmaları ile bağlantılı parçacıkların tamamen yeniden yapılandırılmış arka arkaya jetleri kullanılarak ağır iyon çarpışmalarında parton enerji kaybına ilişkin doğrudan kanıtlara ilişkin ATLAS ve CMS işbirliklerinden gelen raporlarla tutarlıdır. Son iki deney, jet ve geri tepme ortağı arasında güçlü bir enerji dengesizliği olduğunu göstermiştir (G Aad ve diğerleri 2010 ve CMS işbirliği 2011). Bu dengesizliğin, jetlerden birinin sıcak ve yoğun maddeyi geçmesi ve jetlerin yeniden yapılandırılmasıyla geri kazanılamayan bir şekilde enerjisinin önemli bir bölümünü ortama aktarması nedeniyle ortaya çıktığı düşünülmektedir.

Kuarkonyum hadroprodüksiyonunu incelemek

Quarkonia, ağır çeşnili kuarkların (çekicilik veya alt) ve bunların antikuarklarının bağlı halleridir. İki tür kuarkonia kapsamlı bir şekilde incelenmiştir: bir tılsım kuark ve bir anti-tılsımdan oluşan charmonia ve bir alt ve bir anti-alt kuarktan oluşan dipdoni. Birçok serbest renk yükünün bulunduğu Quark Gluon Plazmasının varlığında tılsım ve anti-tılsım kuarklar artık birbirlerini göremezler ve bu nedenle bağlı haller oluşturamazlar. QGP'de kuarkonyanın "erimesi", QGP'nin olmadığı üretime kıyasla kuarkonyum verimlerinin bastırılmasında kendini gösterir. QGP imzası olarak kuarkonia bastırma arayışı 25 yıl önce başladı. Kütle merkezi enerjisinde PbPb çarpışmalarında tılsım hadronları için ilk ALICE sonuçları √sNN = 2.76 TeV, tılsım ve QGP'nin sıcak ortamının oluşumunun bir göstergesi olan garip kuarklar için güçlü orta-içi enerji kaybını gösterir.

Sıcaklık arttıkça, tılsım – antikalık veya alt – antidip için yeni bağlı durumlar oluşturması daha zor olduğu için, renkli tarama da kuarkonyum durumlarının daha fazla bastırılmasına neden olur. Çok yüksek sıcaklıklarda hiçbir kuarkonyum durumunun yaşaması beklenmez; QGP'de erirler. Bu nedenle, farklı kütlelere sahip durumlar farklı boyutlara sahip olduğundan ve farklı sıcaklıklarda taranması ve ayrışması beklendiğinden, kuarkonyum sıralı bastırma bir QGP termometresi olarak kabul edilir. Bununla birlikte - çarpışma enerjisi arttıkça - bağlı durumlar oluşturabilen tılsım-anti-tılsım kuarklarının sayısı da artar ve biz daha yüksek enerjilere geçerken kuarkonia'nın yeniden birleştirilmesinin dengeleyici bir mekanizması ortaya çıkabilir.

İlk ALICE çalışmasından elde edilen sonuçlar, düşük enerjilerden elde edilen gözlemlerle karşılaştırıldığında oldukça çarpıcıdır. Çevresel çarpışmalar için LHC enerjilerinde benzer bir bastırma gözlemlenirken, daha fazla kafa kafaya çarpışmaya doğru hareket ederken - etkileşime katılan öncü çekirdeklerdeki artan nükleon sayısıyla ölçüldüğü gibi - baskılama artık artmaz. Bu nedenle, LHC'deki nükleer çarpışmalarda elde edilen daha yüksek sıcaklıklara rağmen, ALICE deneyi ile Pb–Pb'de p–p'ye göre daha fazla J/ψ mezonu tespit edilir. Böyle bir etkinin, QGP ile sıcak hadron gazı arasındaki sıcaklık sınırında meydana gelen bir yenilenme süreci ile ilgili olması muhtemeldir.

Charmonium durumlarının baskılanması, LHC'de Quark Gluon Plazmasının oluşmadığı proton-kurşun çarpışmalarında da gözlendi. Bu, proton-çekirdek çarpışmalarında (pA) gözlenen bastırmanın soğuk nükleer madde etkilerinden kaynaklandığını düşündürmektedir. Deneysel sonuçların zenginliğini kavramak, kuarkonia'nın orta modifikasyonunu anlamayı ve sıcak ve soğuk madde etkilerini çözmeyi gerektirir. Bugün, RHIC ve LHC'den, charmonyum ve diptonyum bastırma hakkında çok miktarda veri mevcuttur ve ALICE, QGP'nin oluşumundan kaynaklanan etkiler ile soğuk nükleer madde etkilerinden kaynaklanan etkiler arasında ayrım yapmaya çalışır.

p-Pb çarpışmalarında çift sırt yapısı

ALICE, LHC'de ilk proton kurşun çarpışmalarını kaydeder

LHC'deki p-Pb çarpışmalarından elde edilen verilerin analizi, şimdiye kadar bilinmeyen, tamamen beklenmedik bir çift sırtlı yapı ortaya çıkardı. Ağır iyon çarpışmalarından iki yıl sonra, 2013'teki proton-kurşun (pPb) çarpışmaları, QGP'nin sınırlandırılmamış, kiral simetrik durumunun özelliklerinin araştırılmasında yeni bir bölüm açtı. Çok sayıdaki pp çarpışmalarında gözlenen sırt benzeri bir yapı oluşturan, şaşırtıcı bir yakın kenar, uzun menzilli (psödorapiditede uzamış) korelasyon, yüksek çokluklu pPb çarpışmalarında da bulundu, ancak çok daha büyük bir genlikle (). Bununla birlikte, en büyük sürpriz, bu yakın kenar sırtına, azimutta karşıt, esasen simetrik bir uzak kenar çıkıntısının eşlik ettiği gözleminden geldi (CERN Courier Mart 2013 s6). Bu çift çıkıntı, jet parçalanmasından kaynaklanan kısa menzilli korelasyonlar ve rezonans bozulmaları, düşük çok katlı olaylar için ölçülen korelasyon dağılımının yüksek çok katlı olaylar için olandan çıkarılmasıyla bastırıldıktan sonra ortaya çıktı.

Ağır iyon çarpışmalarındaki benzer uzun menzilli yapılar, toplu bir hidrodinamik genleşme geçiren termalleştirilmiş bir sistemden yayılan parçacıkların toplu akışına atfedilmiştir. Bu anizotropi, tek parçacık azimut dağılımının bir Fourier ayrışmasının vn (n = 2, 3, ...) katsayıları aracılığıyla karakterize edilebilir. Kolektif fenomenlerin olası varlığını daha da test etmek için ALICE işbirliği, iki parçacık korelasyon analizini tanımlanmış parçacıklara genişleterek v2 harmonik katsayılarının potansiyel kütle sıralamasını kontrol etti. Kütlede böyle bir sıralama, momentum uzayındaki anizotropiye bağlı ortak bir radyal destekten - sözde radyal akıştan - kaynaklandığı yorumlandığı ağır iyon çarpışmalarında gözlendi. Sürprizlere devam ederek, orta-merkez PbPb çarpışmalarında (CERN Courier, Eylül 2013) gözlemlenene benzer net bir parçacık-kütle sıralaması, yüksek çokluklu pPb çarpışmalarında ölçülmüştür.

Şimdiye kadarki son sürpriz, charmonium eyaletlerinden geliyor. J/ψ üretimi herhangi bir beklenmedik davranış göstermezken, daha ağır ve daha az bağlı (2S) durumun üretimi, pp çarpışmaları ile karşılaştırıldığında J/ψ'ye göre güçlü bir bastırma (0,5-0,7) gösterir. Bu, ortamın etkilerinin bir ipucu mu? Gerçekten de, ağır iyon çarpışmalarında, bu tür bir bastırma, bağlanma enerjilerine ve bu çarpışmalarda oluşturulan QGP'nin sıcaklığına bağlı olarak, kuarkonya durumlarının sıralı bir şekilde erimesi olarak yorumlanmıştır.

İlk pPb ölçüm kampanyası, beklenen sonuçlara geniş ölçüde beklenmedik gözlemler eşlik etti. Beklenen sonuçlar arasında, proton-çekirdek çarpışmalarının, soğuk nükleer maddenin partonik yapısını ayrıntılı olarak incelemek için uygun bir araç sağladığının doğrulanması yer alıyor. Sürprizler, pPb ve PbPb çarpışmaları arasındaki, yüksek parçacık çeşitliliğine sahip pPb çarpışmalarında kolektif fenomenlerin varlığına ve nihayetinde QGP'nin oluşumuna işaret eden birkaç gözlemlenebilirin benzerliğinden geldi.

Yükseltmeler ve gelecek planları

Uzun Kapatma 1

LHC'nin Uzun Kapatma 1 sırasında ALICE üzerindeki ana yükseltme faaliyeti, mevcut EMCAL sisteminin 120°'lik EMCAL kabulünün karşısına 60° azimut kabulü ekleyen bir uzantısı olan dijet kalorimetrenin (DCAL) kurulumuydu. Bu yeni alt dedektör, şu anda foton spektrometresinin (PHOS) üç modülünü barındıran solenoid mıknatısın altına kurulacaktır. Ayrıca, birlikte 100 tondan fazla ağırlığa sahip üç PHOS modülünü ve sekiz DCAL modülünü desteklemek için tamamen yeni bir ray sistemi ve kızak kurulacak. TRD'nin beş modülünün kurulumu takip edecek ve böylece 18 üniteden oluşan bu karmaşık dedektör sistemini tamamlayacak,

Bu ana dedektör faaliyetlerine ek olarak, 18 ALICE alt dedektörünün tamamı, LS1 sırasında, çevrimiçi sistemlerin bilgisayarları ve diskleri değiştirilirken, ardından işletim sistemleri ve çevrimiçi yazılımlarda yükseltmeler yapılırken büyük iyileştirmeler yapıldı.

Tüm bu çabalar, işbirliğinin 1027'yi aşan parlaklıklarda 5.5 TeV/nükleon en üst LHC enerjisinde ağır iyon çarpışmalarını dört gözle beklediği LS1'den sonraki üç yıllık LHC çalışma süresi için ALICE'ın iyi durumda olmasını sağlamak içindir. Hz / cm ² .

Uzun süreli kapatma 2 (2018)

ALICE işbirliğinin, şu anda 2018 için planlanan bir sonraki uzun kapatma LS2 sırasında büyük bir yükseltme planları var. Ardından, tüm silikon izleyici, ALPIDE yongalarından yapılmış bir monolitik piksel izleyici sistemi ile değiştirilecek; zaman projeksiyon odası, sürekli okuma ve yeni mikro elektroniklerin kullanımı için gazlı elektron çoğaltıcı (GEM) dedektörleri ile yükseltilecektir; ve diğer tüm alt algılayıcılar ve çevrimiçi sistemler, teybe yazılan olay sayısında 100 kat artışa hazırlanacak.

Referanslar

Dış bağlantılar

• İlgili Medya ALICE Wikimedia Commons
• CERN'deki Resmi ALICE Genel Web Sayfası
• ALICE'ın 20. Yıldönümü için Etkileşimli Zaman Çizelgesi
• ABD/LHC Web Sitesindeki ALICE bölümü
• Aamodt, K.; ve diğerleri (ALICE İşbirliği) (2008). "CERN LHC'deki ALICE deneyi" . Enstrümantasyon Dergisi . 3 (8): S08002. Bibcode : 2008JInst...3S8002A . doi : 10.1088/1748-0221/3/08/S08002 .