Experiment Atlas

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

Vědci a studenti z Ústavu částicové a jaderné fyziky se podílí na široké škále fyzikálních studií a rovněž přispívají k hladkému provozu experimentu. Náš výzkum zahrnuje studium Higgsova bosonu, “top” a “beauty” fyziku, srážky těžkých iontů, hledání částic za Standardním modelem, dopřednou fyziku. Rovněž jsme se podíleli na stavbě detektoru (vnitřní detektor, hadronový kalorimetr a dopředný detektor Alpha) a účastníme se upgradu detektoru ATLAS.

Kontakty:

Higgsův boson

Higgsův boson je elementární částice, která je vyžadována Standardním modelem pro vysvětlení původu hmotnosti částic. Poprvé byl pozorován v roce 2012 na LHC (Large Hadron Collider) v CERNu; teoretická předpověď Françoise Englerta a Petera Higgse byla oceněna Nobelovou cenou za fyziku v roce 2013.

Higgsův boson je velmi krátce žijící částice, která se okamžitě po svém vzniku rozpadá, a proto může být v detektoru ATLAS pozorován pouze prostřednictvím svých produktů rozpadu. Mezi několika možnými rozpady je kanál H → ττ obzvlášť důležitý, protože testuje vazbu Higgsova bosonu na fermiony.

Kandidát rozpadu H→ττ

Naše skupina se nepřetržitě podílí na analýzách H → ττ počínaje LHC Run 1, přes Run 2 až po probíhající program Run 3. Zaměřujeme se především na přesná měření produkčních účinných průřezů Higgsova bosonu a — v menší míře — také na hledání jevů přesahujících Standardní model, jako je porušení nábojově–paritní (CP) symetrie při produkci Higgse a rozpady Higgsova bosonu narušující zachování typu (flavour) leptonů (LFV). Oba tyto jevy jsou ve Standardním modelu zakázány; jejich případné pozorování by bylo jasným signálem nové fyziky. Naše současná práce pokrývá všechny kanály rozpadu τ-leptonů.

Přispíváme klíčovými podpůrnými studiemi, včetně vývoje metod založených na datech pro odhad pozadí, kdy jsou jety vzniklé z kvarků nebo gluonů chybně identifikovány jako τ-leptony (tzv. „fake τ“), což představuje významný zdroj pozadí jak v měřeních Higgsova bosonu, tak i v dalších analýzách zahrnujících τ-leptony. Vybudovali jsme odborné znalosti v používání metod strojového učení (umělé inteligence) pro různé úlohy v analýzách Higgsova bosonu. Tyto metody zahrnují zlepšení rozlišení signálu od pozadí a optimalizaci rekonstrukčních algoritmů.

Publikace:


Srážky těžkých iontů: silná interakce a extrémní stavy hmoty

Těžkoiontová skupina na ÚČJF se podílí na programu experimentu ATLAS v CERNu, kde se srážejí těžká jádra při extrémně vysokých energiích. Tyto srážky vytvářejí kvark-gluonové plazma, stav hmoty, který existoval v prvních zlomcích sekundy po velkém třesku a možná se nachazí i centrech kompaktních objektů jako jsou neutronové hvězdy.

Studujeme především tzv. jety, tedy kolimované spršky částic, které vznikají při fragmentaci vysokoenergetických kvarků a gluonů. Když takové jety projdou plazmatem, ztratí část energie a mění se jejich vnitřní struktura. Tento jev je známý jako jet quenching a poprvé byl přímo pozorován právě detektorem ATLAS. Studium jet quenchingu nám umožňuje zkoumat jak vlastnosti samotných jetů, tak charakteristiky prostředí, kterým procházejí. Ve výsledku se dozvídáme nové informace o kvark gluonovém plasmatu a zároveň přispíváme k lepšímu porozumění silné interakci, jedné ze čtyř základních sil.

Kromě jetů se zaměřujeme i na charmonia, vázané stavy kvarku a antikvarku charm, a na tzv. ultra-periferní srážky (UPC), kde spolu interagují elektromagnetická pole jader. Tyto procesy umožňují testovat kvantovou elektrodynamiku, kvantovou chromodynamiku a mohou vést i k objevu nové fyziky.

Významnou součástí naší práce je také vývoj triggerů pro těžkoiontová data a rekonstrukčního softwaru. Věnujeme se i fenomenologii jet quenchingu, kde propojujeme experimentální výsledky s teoretickými modely. Sledujeme například, jak závisí potlačení jetů na jejich dráze v mediu nebo na typu jetu. Tyto studie pomáhají porozumět mikroskopickým mechanismům silné interakce v extrémních podmínkách.

Kontakty:

Publikace:

Ogrodnik, M. Rybář, M. Spousta, Flavor and path-length dependence of jet quenching from inclusive jet and γ-jet suppression, Eur. Phys. J. C 85, 899 (2025).

ATLAS Collaboration, Measurement of suppression of large-radius jets and its dependence on substructure in Pb+Pb collisions at 5.02 TeV with the ATLAS detector, Phys. Rev. Lett. 131, 172301 (2023).

Cunqueiro, D. Pablos, A. Soto-Ontoso, M. Spousta, A. Takacs, M. Verweij, Isolating perturbative QCD splittings in heavy-ion collisions, Phys. Rev. D 110, 014015 (2024).

ATLAS Collaboration, Measurements of the suppression and correlations of dijets in Xe+Xe collisions at √sNN = 5.02 TeV, Phys. Rev. C 108, 024906 (2023).

ATLAS Collaboration, Measurement of the nuclear modification factor of b-jets in 5.02 TeV Pb+Pb collisions with the ATLAS detector, Eur. Phys. J. C 83, 438 (2023), doi:10.1140/epjc/s10052-023-11427-9.

 

B-fyzika

Měření fáze CP-narušení v rozpadu Bs → J/ψφ

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

Standardní model elementárních částic a jejich interakcí je nesmírně úspěšná teorie, která dokázala uspokojivě vysvětlit veškeré dosud pozorované jevy v mikrosvětě. Přesto (anebo právě proto) se fyzici snaží objevit něco, co by bylo s touto teorií v rozporu. Takový objev by totiž otevřel dveře novému rozvoji oboru a pomohl teoretickým fyzikům k formulaci úplnější teorie a tedy hlubšímu porozumění světa kolem nás.

Zrekonstruovaný rozpad B<sup>0</sup> → J/ψK<sup>*0</sup>

Zrekonstruovaný rozpad B0 → J/ψK*0

Jedním z hlavních cílů B-fyziky je právě testování Standardního modelu a hledání fyziky za jeho rámcem. Jako příklad uveďme měření doby života B-mesonů, měření vzácných rozpadů neutrálního hadronu Bs na pár mionů a meson K*0, nebo měření CP-narušení v jeho rozpadech na J/ψ and φ mesony. Měření experimentů ATLAS, CMS a LHCb doposud žádnou odchylku od Standardního modelu bohužel nezaznamenala. Nicméně plánovaný provoz LHC v dalším desetiletí slibuje významný přírůstek množství nabraných dat, který povede ke zpřesnění dosavadních výsledků a umožní mnoho dalších měření.

Kontakty:

Publikace:

Hledání částic za Standardním modelem

Jeden z hlavních cílů současné částicové fyziky je odhalit nové jevy za hranicemi Standardního modelu, který sice velmi úspěšně popisuje známé elementární částice a jejich interakce, ale nedává odpovědi na zásadní otázky – například původ temné hmoty nebo hierarchii hmotností částic. 

Naše skupina se podílí na hledání hypotetických těžkých nabitých částic s relativně dlouhou dobou života, které mohou zanechávat charakteristický signál ve formě silné ionizace ve vnitřním detektoru experimentu ATLAS.  Takové částice se díky své velké hmotnosti pohybují pomaleji, což lze měřit pomocí doby letu v dalších detektorech tohoto experimentu.

Hlavním úkolem našeho týmu je přesná časová kalibrace kalorimetru TileCal pomocí mionů, které se v detektoru chovají jako tzv. minimum ionizing particles. Díky této kalibraci dokážeme velmi přesně rekonstruovat relativistickou rychlost β pro vybrané případy. Ze znalosti β a hybnosti pak určujeme hmotu hypotetické částice, což je klíčové pro její případnou identifikaci. Výsledky analýzy dat z Runu 2 jsme publikovali a nyní pokračujeme v práci na nových datech z Runu 3, kde očekáváme další zlepšení citlivosti těchto hledání.

Kontakty:

Publikace:

[1] ATLAS Collaboration, Search for long-lived charged particles using large specific ionisation loss and time of flight in 140 fb-1 of pp collisions at √s=13 TeV with the ATLAS detector, JHEP 07 (2025) 140

[2] ATLAS Collaboration, Search for heavy, long-lived, charged particles with large ionisation energy loss in pp collisions at √s=13 TeV using the ATLAS experiment and the full Run 2 dataset, JHEP 06 (2023) 158

Hadronový kalorimetr TileCal

Kalorimetry se v částicové fyzice používají k měření energie a směru letu částic, nabitých i neutrálních. Primární vysokoenergetická částice, která vstupuje do kalorimetru, interaguje s jeho materiálem a produkuje  sekundární částice. Ty, mají-­li dostatek energie, produkují v následných interakcích další částice, energie takto produkovaných sekundárních částic rychle klesá. Vzniklá sprška částic je nakonec v kalorimetru pohlcena. Signál sekundárních částic se měří v aktivních částech kalorimetru a jeho celková suma je přímo úměrná původní energii primární částice.

Experiment ATLAS používá několik kalorimetrů. Hadronový kalorimetr TileCal je umístěn v centrální části a je postaven ze střídajících se destiček absorbátoru (železo) a aktivního média (plastický scintilátor). Nabité částice generují v aktivním prostředí scintilační světlo, které měří fotonásobiče. TileCal je vybaven několika kalibračními systémy monitorujícími šíření signálu v různých fázích. Odpovídající kalibrační konstanty se pak používají k určení energie primárních částic ze změřeného signálu, měříme i časovou fázi signálu.

Vědečtí pracovníci a studenti z ÚČJF se podílejí na práci v mezinárodní skupině TileCal od začátku její existence. Věnujeme se zejména energetické kalibraci kalorimetru, měření času a časové kalibraci, měření odezvy mionů, kontrole kvality nabraných dat a vývoji příslušného sw. Současně přispíváme k provozu a analýzám dat v probíhajícím Run 3 (2022-2026), čímž navazujeme na naše aktivity z Run 1 (2008-2012) [1] a Run 2 (2015-2018) [2].

Kontakty:

Publikace:

[1] ATLAS Collaboration, Operation and performance of the ATLAS Tile Calorimeter in Run 1, Eur. Phys. J C78 (2018) 987

[2] ATLAS Collaboration, Operation and performance of the ATLAS tile calorimeter in LHC Run 2, Eur. Phys. J C84 (2024) 1313

Hadronový kalorimetr TileCal instalovaný v experimentální hale ATLAS.

  ATLAS Inner Tracker 

Vnitřní detektor (ID) experimentu ATLAS je válcový detektor s koncovými disky, tzv. endcapy, který bezprostředně obklopuje jeden z interakčních bodů srážek částic na Velkém hadronovém urychlovači (LHC) v CERNu. Budoucí modernizace LHC, High-Luminosity LHC zvýší okamžitou luminositu zhruba desetinásobně. 

Vnitřní detektor bude zcela nahrazen novým celokřemíkovým vnitřním trackerem (ITk) [1], vyrobeným z pixelových a stripových senzorů. ITk poskytne výrazně vyšší rozlišení detektoru v širším úhlovém rozsahu a zároveň odolá náročnějšímu radiačnímu prostředí.  

Naše výzkumná skupina se dlouhodobě podílí na vývoji a testování stripových modulů pro křemíkový stripový detektor (SCT), který je součástí současného vnitřního detektoru ATLAS, a na jeho modernizaci.

Simulované uspořádání detektoru ATLAS ITk, s vnitřním pixelovým subdetektorem obklopeným stripovým subdetektorem.[1]

V rámci projektu ITk jsme se následně zapojili do vývoje, výroby a testování prototypů křemíkových stripových modulů [2, 3]. Od roku 2025 postupně probíhá výroba ITk, přičemž naše pracoviště zajišťuje výrobu a testování přibližně 600 z celkového počtu 7000 křemíkových stripových modulů, které budou tvořit endcap část ITk. 

Každý modul se skládá z křemíkového stripového senzoru s připojenou radiačně odolnou čtecí elektronikou, zahrnující tzv. hybridy a powerboardy. Výroba probíhá ve speciálně navrženém čistém prostoru třídy ISO 7 s řízenou teplotou a vlhkostí. Naše odpovědnosti zahrnují testování senzorů a čtecí elektroniky, montáž nových modulů a komplexní kontrolu jejich kvality. 

Kontakty: 

Publikace: 

[1] ATLAS collaboration, Technical Design Report for the ATLAS Inner Tracker Strip Detector, CERN-LHCC-2017-005, CERN, Geneva (2017) 

[2] J.-H. Arling et all, Test beam measurements and computer simulations of the ATLAS ITk R2 silicon strip detector, 2025 JINST 20 P07033 

[3] Richard Salami et al, “Quality concerns caused by quality control — deformation of silicon strip detector modules in”, thermal cycling tests”, 2025 JINST 20 P03004 

 

Další užitečné odkazy