[CERN] [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, fyziku těžkých iontů, dopřednou fyziku a QCD. Rovněž jsme se podíleli na stavdbě detektoru (vnitřní detektor, hadronový kalorimetr a dopředný detektor Alpha) a účastnitíme se upgradu detektoru ATLAS.

Lidé

• Rupert Leitner [higgs, calorimeters]
• Jiří Dolejší [heavy ions]
• Zdeněk Doležal [b-physics, upgrade, inner detector]
• Tomáš Davídek [higgs, QCD, calorimeters]
• Tomáš Sýkora [forward physics, alfa]
• Vít Vorobel [forward physics, alfa]
• Peter Kodyš [inner detector, upgrade]
• Martin Spousta [heavy ions]
• Jana Faltová [higgs]
• Vojtěch Pleskot [Higgs, BSM, Fake tau estimate]
• Pavel Řezníček [b-physics]
• Daniel Scheirich [Higgs, BSM, Top physics]
• Peter Berta [Top physics]

Higgsův boson

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

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

B-fyzika

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

Hledání fyziky za Standardním modelem

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

QCD a fyzika jetů

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

Hadronový kalorimetr TileCal

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

Další užitečné odkazy

• Registrace v CERN