DÉNES ERVIN – RUBIN GYÖRGY


Szuperdetektorok szuperenergiákon


Az ALICE detektorok

A CERN-ben 2005-re elkészülő LHC (Large Hadron Collider) nevű gyorsítóban proton-proton és ionizált atommagok (kalcium-, illetve ólommagok) ütköztetésére kerül majd sor 2·7 TeV, illetve 2·600 TeV energián. A gyorsító mellett négy nagy kísérleti berendezés (detektor) épül nemzetközi együttműködésben. Ezen óriás detektorok egyike a nagyenergiájú ion-ütközések tanulmányozására készülő ALICE detektor lesz. A detektor neve az „A Large Ion Collider Experiment" („egy nagyméretű ion ütköztető kísérlet") szavak kezdőbetűiből áll össze.

A kétszer 600 TeV energián frontálisan ütköző ólom atommagok olyan energiasűrűséget hoznak létre (5-8 GeV/fm3), melyen - a jelenleg elfogadott hadronokat leíró elméletek szerint - várható a hadronanyagnak a szabad kvarkokat és gluonokat tartalmazó plazmaállapotba történő átmenete. Ennek a fázisátmenetnek a fordítottja az ősrobbanás utáni 10-5 másodpercben következett be, amikor a kvark-gluon-plazmából hadronok keletkeztek. Az ALICEkísérlettel rekonstruálható lesz az univerzumnak egy igen korai állapota. Ez a fázisátmenet azonban még ma is szerepet játszhat az összeroppanó neutroncsillagok belsejében. Amaganyag fázisátmeneteinek kísérleti tanulmányozása jelentősen növelheti tudásunkat mind az anyagnak és kölcsönhatásainak, mind a korai világegyetem fejlődésének megértésében. Az erősen kölcsönható anyag tanulmányozása nemcsak a különböző elméletek ellenőrzését jelentheti, hanem fényt deríthet olyan alapvető kérdésekre, mint a kvarkbezárás, vagy a spontán szimmetriasértés, mely a kvarkok tömegéért lehet „felelős". A fázisátmenet közelében lejátszódó folyamatok jelentősen hozzájárulhatnak olyan kozmológiai jelenségek megértéséhez, mint az atommag kialakulása, a sötét anyag és az univerzum nagyléptékű struktúrája. A szupernóvarobbanások dinamikája és a neutroncsillagok stabilitása a maganyag összenyomhatóságától függ. Tehát a nagyenergiás atommag ütközések során létrejövő extrém maganyagállapotok tanulmányozása nagyban hozzásegíthet minket ahhoz, hogy megoldjuk a fizika különböző területeinek fontos problémáit.

A kvark-gluon-plazma kb. 8·10-23 s alatt kitágul, lehűl és a detektorok számára érzékelhető hadronokat bocsát ki. Ezekből lehet visszakövetkeztetni a kvark-gluon-plazma létrejöttére és tulajdonságaira (erről részletesebben Siklér Ferenc: Kísérletek a QGP előállítására című, ugyanebben a különszámban található cikkében olvashatunk). Az ALICE-detektor arra lesz „kiélezve", hogy az ólom-ólom ütközés során nagyon rövid időre létrejövő kvark-gluon-plazma nyomaiból minél többet megtaláljon. Egy ütközés során közel 15 000 kirepülő új részecske is keletkezhet. A detektort tehát ilyen nagy számú részecskenyom regisztrálására, illetve a nyomok kiválasztására és követésére is alkalmassá kell tenni.

Akészülő detektor méreteiről az 1. ábra alapján alkothatunk képet, ahol a detektor mellett láthatunk egy embert is. Adetektor 27 m hosszú, 16 m magas és ugyanilyen széles. Súlya több mint 10 000 t (csupán a mágnes súlya közel 8000t).

 

1. ábra. Az ALICE detektor

 
Az ALICE detektorrendszer több részdetektorból, ezek pedig elemi érzékelők tízmillióiból állnak. A rendszert két nagy részre oszthatjuk: a központi részre, mely hadronok, elektronok és fotonok mérésére alkalmas; valamint a müonok mérésére szolgáló müonkamrára. A két részt egymástól egy nagy elektromágnes választja el, mely a töltött részecskék pályájának elhajlításával lehetővé teszi azok impulzusának meghatározását.
A központi rész feladata a részecskék kiindulási pontjának megtalálása, a részecskék azonosítása és pályáik követése. A müonkamra pedig a kvark-gluon-plazmából származó nehézkvark-rezonanciák kimutatására készül: segítségével mérhetjük az ezek bomlásából származó müonok tulajdonságait és jelezhetjük a kiolvasó elektronikák számára, hogy mely ütközések során jött létre számunkra érdekes esemény, azaz a másodpercenkénti több tízezer ütközésből melyeket érdemes kiolvasni és feljegyezni.
 
Térjünk vissza a központi részhez, melyről azt írtuk, hogy feladata a részecskék kiindulási pontjának megtalálása, a részecskék lehetőség szerinti azonosítása és a részecskepályák követése. A kiindulási pont megtalálását, a nyomok szétválasztását és követését a belső részecskenyom-követő rendszer, angolul az Inner Tracking System (ITS) végzi, míg a részecskék azonosítása és pályájuk követése az ún. Time Projection Chamber (idő-projekciós kamra) feladata.
 
Az ITS hat hengeres szilíciumdetektor rétegből áll, melyek héjszerűen körbe veszik a nyalábot tartalmazó vákuumcsövet. A szilíciumdetektorok kiváló térbeli felbontást tesznek lehetővé és biztosítják, hogy a részecskenyomok folytonosan átvihetők legyenek az ITS és az azt körülvevő TPC között. AzITS fogja biztosítani a nyomok kiindulási pontjának megtalálását, a milliméter törtrészénél nagyobb pontossággal. Így nemcsak az ütközési pontot tudjuk pontosan azonosítani, hanem a detektáláskor már elbomlott ritka kvarkokat tartalmazó részecskéket is, meghatározva bomlási termékeiket és a bomlás pontos helyét, melynek távolsága az ütközési ponttól a milliméteres nagyságrendbe esik. A nagy nyomsűrűség miatt, ami akár 90 nyom/cm2 is lehet, a belső 4 rétegnek nagyon pontosan meg kell adni az átmenő részecske koordinátáit. Ezért ide szilícium pixel- és szilícium drift-detektorokat választottak. A külső 2 réteg, ahol a nyom sűrűsége cm2-enként 10 nyom alatt van, szilícium mikro-sávdetektort használnak. Nézzük meg, hogy működnek ezek a detektorok!


2. ábra. A szilícium pixel-detektor egy cellája

A szilícium pixel-detektor (SPD) egy vékony, kb. 300 mm vastagságú félvezető lapka (2. ábra), melyben az áthaladó töltött részecskék elektron-lyuk párokat hoznak létre. Az így keletkező töltés mennyiségét az ugyanabba a cellába beépített erősítő felerősítést követően meg is méri. Ha a cella mérete kicsi, és sok kisméretű cellát helyezünk el egymás mellett, akkor nagy pontossággal megkapjuk az átmenő részecske koordinátáit. Az ALICE Si pixel-detektora 240 modulból áll és mindegyik modul 65536, a fentiekben leírt cellát tartalmaz. Egy detektor modul az egy integrált chipet jelent.
Az SPD kifejlesztése a mikroelektronikai chipek komponenssűrűségének folyamatos növekedése miatt volt lehetséges. A pixel-technikát a CERN-ben egy külön kutatási-fejlesztési együttműködés (RD19) során fejlesztették ki.
A szilícium drift-detektornál (SDD) nincs szükség ennyi csatornára. Itt a drift-kamrákhoz hasonlóan (melynek leírását lejjebb, a TPC ismertetésénél adjuk meg) az elektronok sodródási idejéből adódik a részecskenyom egyik koordinátája, míg a másik koordinátát a beütést jelző anód koordinátájából tudjuk.
Végül a szilícium sáv-detektor (SSD) olyan, kb. 300 mm vastag félvezető detektor, melynél az átmenő részecske által a félvezetőben leadott energiát sávos elhelyezésű elektródákban gyűjtik össze (3. ábra). A sávokat a detektor-cella alján és tetején is elhelyezik, így két koordináta is mérhető. Adetektor helyének ismeretében a nyom mindhárom koordinátája meghatározható. A sávok távolságától függően kb.10 mm-es pontosság érhető el.


3. ábra. A szilícium sáv-detektor működési elve

 
A sáv-érzékelő elektromos jele arányos a részecskének a detektorban leadott energiájával. Ezért az SSD - a leadott energia révén - a részecske impulzusáról és ezen keresztül típusáról is ad információt, ellentétben a másik két belső réteggel,  mely csak a beütés helyét jelzi. Az 1. táblázatban a három detektortípus jellemzőit, valamint a cellák és a kiolvasó csatornák számát foglaltuk össze.


1. táblázat. A különböző ITS-detektorok főbb jellemzői

 
A részecskék azonosítása és pályájuk követése a mai tudásunk szerinti leghatékonyabb részecskedetektorok építését  követeli meg. Nagy felbontás és megbízható nyom-elkülönítés elérése érdekében háromdimenziós nyomregisztrálás és nyomonként minél több pont rögzítése szükséges. Ezért az ALICE együttműködés a Time Projection Chamber (idő-projekciós kamra) használata mellett döntött.
A Time Projection Chamber (továbbiakban TPC) tulajdonképpen egy nagy térfogatú drift-kamra, melynek működési elvét a 4. ábrán láthatjuk.

4. ábra. A TPC működési elve

A kamrán áthaladó töltött részecskék a sodródási térfogatot kitöltő gáz atomjait ionizálják. A kamra tetején lévő katódra és az alján lévő rácsra kapcsolt feszültség hatására az elektronok lefelé sodródnak (innen a drift-kamra elnevezés: drift angolul sodródást jelent). A rács alatt található érzékelő vezetékek, illetve a hozzájuk kapcsolt elektronika méri a beérkező elektronzápor töltését és koordinátáit. A teret kitöltő gáz összetételét úgy alakították ki, hogy az elektronok sodródási sebessége állandó legyen, így a nyom harmadik, térbeli koordinátája is meghatározható. A kiolvasó vezetékek nagy számának növelésével növelhetjük a mérés pontosságát. Az így elérhető pontosság a sodródás irányában 150 mm, míg az érzékelő szálak síkjában néhány centiméter. Ez utóbbi pontosság természetesen nem elegendő a mi esetünkben fellépő nagy nyomsűrűség esetén.

Az érzékelőszálak számának további növelése viszont anyagi és technikai okokból már nem lehetséges. Képzeljük el, hogy egy 150 m2-es drift-kamra felületén, ha 1 cm-es pontosságot akarunk elérni, akkor 1,5 millió érzékelőre és kiolvasó elektronikára van szükség. 100 mm-es pontosság esetén már 15 milliárd érzékelő kellene! Mégis van megoldás: az érzékelő- és az úgynevezett térvezetékek megfelelően kialakított vezetékelrendezése esetén elérhető, hogy az érzékelő vezetékekből olyan ionáram induljon ki a kamra alján elhelyezkedő kiolvasólemezek felé, melynek eloszlása szimmetrikus lesz az elsődleges sodródás iránya körül. Így a kiolvasó érzékelőjére beérkező jelek súlypontja kellő pontossággal meghatározható, noha az érzékelőlemezek viszonylag ritkán helyezkednek el. 4-5 szomszédos érzékelőre eső jel eloszlása ehhez már megfelelő. Így esetünkben a TPC-detektort elegendő kb. 570 000 csatornás kiolvasóelektronikával felszerelni. Ugyanakkor az érzékelők nem mennek végig a kamrán, mint az érzékelőszálak, így nemcsak egy, hanem két síkbeli koordinátát is mérnek. Ezzel a detektoron áthaladó részecskepálya pontjait 3 dimenzióban mérhetjük meg.

 


2. táblázat
A teljes ALICE detektornak csak egy részét mutattuk be részletesen, a 2. táblázat alapján azonban elképzelésünk lehet arról, hogy mekkora kihívást jelent ennyi helyről az adatok gyors és megbízható begyűjtése. Itt láthatjuk, hogy az ALICE detektorai ólom-ólom ütközések során átlagosan több mint 86 Mbyte adatot szolgáltatnak, és ennek mintegy 90%-át a TPC egymaga. A különböző eseménytípusok gyakoriságát figyelembe véve, az ALICE detektor egészében kb. 25 Gbyte adatot szolgáltat másodpercenként, és ez nagyjából ugyanannyi, mint amennyit 100 000 Encyclopedia Britannica tartalmaz.
Jelen cikkünkben az ALICE-kísérletnek csak két detektorát írtuk le. Nem említettünk olyan részletproblémákat sem, mint a detektorelemek áramellátása, a termelt hő elvezetése, a hőmérséklet és a gázösszetétel folyamatos monitorozása, a detektorelemek mikronpontosságú térbeli rögzítése és figyelmen kívül hagytunk még számos olyan problémát, melyet a detektor sikeres működéséhez meg kell oldani. Reméljük azonban, hogy így is sikerült a feladat nagyságát érzékeltetni.
Az ALICE-együttműködésben jelenleg 27 ország 83 intézetének több mint 1050 fizikusa, mérnöke és technikusa dolgozik. Magyarország a kísérleti berendezés egyik fontos elemének az ún. Detector Data Linknek (DDL) a kifejlesztését és gyártását vállalta el. A projektben a Részecske- és Magfizikai  Kutatóintézet valamint a Budapesti Műszaki Egyetem közösen vesz részt. A DDL egy alkalmazásorientált adatátviteli rendszer, amely mintegy 400 kétirányú, 1Gbit/s sebességű, száloptikai adatátviteli vonalat tartalmaz. A DDL fő feladata a detektorban 25 Gbyte/s sebességgel keletkező információ átvitele a 200 m távolságra lévő számítóközpontba. Emellett a detektor elektronikus egységeinek a számítóközpontból történő távvezérlését és táv-tesztelését szintén a DDL-en keresztül látják el. A DDL következő főbb technikai követelményeknek kell hogy megfeleljen: rendkívül alacsony hibaarány az adatátvitel során, az adatátviteli hibák nagy biztonságú felderítése, az alacsony szintű nagyenergiájú részecske- és elektromágneses sugárzásokkal szembeni nagyfokú tűrőképesség, tolerancia a mágneses térrel és az elektromos zavarokkal szemben, nagy megbízhatóság, hosszú élettartam, kis méret és kis elektromos fogyasztás és végül de nem utolsó sorban nem túl magas ár. Különösen nagy a jelentősége annak, hogy Magyarország a jelenlegi technológia csúcsán lévő fejlesztésben vehet részt, és létrehozza a kísérlet sikere szempontjából kritikus megbízható és gyors adatkiolvasást.