Proč urychlovač LHC a jeho experimenty vypadají tak, jak vypadají  
Příprava spuštění urychlovače LHC je ve finiši. Letos se to rozjede.

 

 
Daniela Macina

„Instalace LHC je téměř dokončena. Začala fáze velmi intenzivního testování technického zařízení. Testy netěsností, magnetů, chlazení, tlakové zkoušky …

Objevily se sice problémy, průběžně se však řeší a žádný z nich není kritický či dokonce neřešitelný. Testování urychlování a reálné práce při produkci urychleného svazku částic se čeká již velmi brzy. Bude to velmi zajímavá i složitá etapa a neobejde se bez problémů. V jejím průběhu je nutné otestovat i komunikaci a spolupráci s experimenty“

Daniela Macina: Závěry na konferenci TWEPP v Praze (září 2007)                               


V nedávné krátké zprávě se na Oslu připomenulo očekávané letošní spuštění největšího urychlovače LHC, který se dokončuje v laboratoři CERN ve Švýcarsku. Možná, že bude pro čtenáře zajímavé si v této souvislosti připomenout, jak urychlovač LHC vypadá a proč se buduje právě v takové podobě.  Pokusím se vysvětlit, na jaké problémy se naráží při jeho budování a proč je pochopitelné i zpoždění jeho spuštění. 

 

Uvolněná energie při srážce jader na urychlovači LHC už bude makroskopické velikosti, bude odpovídat zhruba dopadu závaží o hmotnosti 0,02 g z metrové výšky nebo srážce dvou dobře živených komárů v maximální rychlosti. Srovnáním rozměru komára a atomového jádra si můžeme udělat představu o rozdílu hustoty energie dosažené při těchto dvou různých srážkách.

 

 

Proč v částicové a jaderné fyzice stavíme stále větší urychlovače?

 

Zvětšit obrázek
V minulém roce byla dokončena instalace všech magnetů v současnosti budovaného největšího urychlovače LHC.

Základní důvody proč se v jaderné a částicové fyzice snažíme stavět stále výkonnější urychlovače jsou tři. Při studiu struktury hmoty a poznávání interakcí se uplatňují dva. První je založen na vztahu mezi klidovou hmotností částice a energií, kterou potřebujeme k její produkci. Určit ji můžeme pomocí známého Einsteinova vztahu E=mc2. Řada hypotéz a teorií, které hledají popis hmoty a interakcí předpovídá existenci nových částic i s velmi velkou hmotností. Abychom mohli takové částice produkovat, musí urychlovač urychlit srážející se částice na takovou kinetickou energii, aby bylo možné ji ve srážce přeměnit na klidovou energii (hmotnost) částice, kterou chceme získat. Cesta za novými částicemi tak často vede přes stále výkonnější urychlovače.

 

Druhý důvod je pak spojen s kvantovými vlastnostmi mikrosvěta. Strukturu objektů mikrosvěta studujeme nepřímo pomocí rozptylu částic na nich. Rozptylující se částice mají díky své kvantové povaze vlnové vlastnosti a charakteristickou vlnovou délku. Tato vlnová délka je tím menší, čím má částice větší hybnost a tím i kinetickou energii. K tomu, abychom zkoumali co nejmenší detaily potřebujeme co nejmenší vlnovou délku zkoumajícího záření (urychlovaných částic). Vidíme pouze detaily, jejichž velikost není menší než tato vlnová délka. Abychom tak viděli co nejmenší detaily struktury hmoty, musíme urychlovat částice na co největší energie, aby získali co nekratší vlnovou délku.

Zvětšit obrázek
Vztah vlnové délky lambda a kinetické energie EKIN pro různé částice (rA – rozměr atomu, rj – rozměr jádra, rL – současný limitní rozměr). Tento vztah je uveden v relativistické podobě (červená formule) a ultrarelativistickém přiblížení, kdy je klidová energie částice zanedbatelně malá vůči její kinetické energii (modrá formule).

Největší současné urychlovače urychlují částice na energie stovky GeV (klidová energie protonu je 1 GeV), jejich vlnová délka je v řadu tisícin fm (1fm=10-15m), tedy zhruba tisícina rozměru jádra, a takové detaily můžeme v současnosti pozorovat.

 

Třetí důvod souvisí s jadernou fyzikou vysokých energií a snahou zkoumat hmotu při extrémně vysokých hodnotách teplot a tlaků, takových, které byly například v nejranějších stádiích vývoje našeho vesmíru. Na počátku sedmdesátých let se potvrdilo, že při srážce těžkých jader urychlených na vysoké kinetické energie vzniká oblast velmi silně stlačené a ohřáté jaderné hmoty. Od té doby se urychlovače těžkých iontů využívají ke studiu horké a husté jaderné hmoty. Zkoumají se její různé fáze a fázové přechody. Poměrně nedávno byla potvrzena existence nového velmi extrémního stavu této hmoty, který byl označen jako kvark-gluonové plazma. Abychom získali co největší objem hmoty s co nejvyšší teplotou a hustotou, potřebujeme srážet co nejtěžší jádra urychlená na co největší kinetickou energii. 


Ukázali jsme si důvody pro stavbu stále větších urychlovačů a teď se na ně blíže podívejme. Naše vyprávění bude zaměřeno na základní principy spojené s pochopením funkce urychlovače LHC a nebude detailním přehledem všech možných typů urychlovačů. To třeba až někdy příště.

 

 

Z čeho se urychlovač skládá a jak funguje?

Úkolem urychlovače je urychlit částici nebo jádro. K tomu se využívá statické nebo proměnné elektrické pole. Proto můžeme urychlovat pouze elektricky nabité objekty a důležitou součástí urychlovače je tak většinou iontový zdroj, který nám umožňuje získat nabité ionty. Jako zdroj plazmatu (iontů) slouží nejčastěji elektrický výboj. Získané ionty jsou urychlovány elektrickým polem elektrody. V lineárních urychlovačích každá elektroda urychluje každou jednotlivou částici jen jednou. Výhodné je, aby se elektroda při postupném urychlování jedné částice využila vícekrát. Proto se staví kruhové urychlovače, ve kterých se využívá magnetické pole k tomu, aby se urychlovaná částice pohybovala po zhruba kruhové dráze, která ji zavede do stejné elektrody několikrát. Magnetické pole nemění velikost rychlosti (kinetickou energii) částice ale pouze směr jejího pohybu. Dá se také využít k soustředění (fokusaci) svazku. Urychlují se totiž stejně nabité částice a ty mají tendenci se odpuzovat. K soustřeďování částic se používají zařízení, která se označují jako magnetické čočky a proces je do značné míry podobný soustřeďování světla čočkou v optice.

 

 

Zvětšit obrázek
Supravodivý magnet urychlovače LHC

  Jestliže by se nabité urychlované částice pohybovaly ve vzduchu, vyrážely by elektrony z atomů prostředí, kterým prolétají. Touto ionizací by ztrácely energii. Proto se musí pohybovat ve vakuu. To se zajišťuje tím, že se pohybují v trubici, ve které je co nejhlubší vakuum. To je důvodem, proč je součástí urychlovače i výkonný systém různých typů vakuových pump. K udržení vakua pomáhá i chlazení, které způsobuje vymrzání plynů, které by se jinak uvolňovaly do urychlovací trubice.

 

 

Zvětšit obrázek
Důležitou součástí urychlovače LHC je jeho kryogenní systém.

Chlazení a tentokrát na extrémně nízké teploty je nutné ještě z dalšího důvodu. Intenzita magnetické pole, která je potřeba pro vedení a soustředění svazku urychlovaného na tak vysoké energie, jako je tomu u LHC, je dosažitelná pouze pomocí supravodivých magnetů. A ty pracují pouze při teplotě tekutého helia.

 

Urychlovač se tak skládá z urychlovací trubice obklopené soustavou střídajících se urychlovacích trubic a různých typů supravodivých magnetů, které mění směr pohybu částic nebo je soustřeďují.

Při provozu urychlovače vzniká různé záření a v okolních materiálech se může indukovat radioaktivita. Proto je důležitou součástí urychlovače bezpečnostní systém, který monitoruje radiační situaci. Všechny komponenty urychlovače jsou elektronicky řízeny a kontrolovány. Elektronika a výpočetní technika zajišťuje i koordinaci s jednotlivými experimentálními detektorovými systémy. Proto je důležitou součástí urychlovače jeho velín.

Zvětšit obrázek
Řídící centrum urychlovačů v laboratoři CERN

Urychlení částice na extrémně vysoké energie nelze dosáhnout pomocí jednoho urychlovače. Například magnety mohou pracovat jen v určitém rozmezí intenzit magnetického pole. Proto je i LHC vrcholem v soustavě několika urychlovačů, která začíná lineárním urychlovačem a pak následuje několik kruhových urychlovačů. 

 

 

LHC – supravodivý protonový synchrotron pro vstřícné svazky.

LHC je zkratka pro název Large Hadron Collider, tedy česky velký hadronový „srážkovač“. Spolu se specifikací typu urychlovače v nadpisu této části nám napovídá, jaké zařízení bylo zvoleno. Pokusme se objasnit význam použitých pojmů a zároveň vysvětlit, proč se postavil právě takový typ urychlovače.
Proč je LHC označován jako supravodivý urychlovač jsme si už vysvětlili v předchozím povídání. Hodnot intenzit magnetických polí potřebných pro vedení a soustřeďování urychlovaného svazku nabitých částic s požadovanou energií prostě jinak než supravodivými magnety dosáhnout nelze.
Předchozím největším urychlovačem v laboratoři CERN byl LEP, v jehož tunelu se LHC buduje. Ten urychloval a srážel elektrony a pozitrony. Proč byl tentokrát vybrán urychlovač protonů? Zrekapitulujme si výhody a nevýhody obou těchto typů urychlovačů.
Výhodou protonového urychlovače je, že při správné konstrukci může urychlovat kromě protonů i jádra, a třeba i ta nejtěžší. Další výhodou, a to tou hlavní, je, že urychlovaný proton nevyzařuje tzv. synchrotronové (brzdné) záření. Jeho podstatu si vysvětlíme za chvíli při líčení nevýhod elektronových urychlovačů. Hlavní nevýhodou urychlovače protonů je, že proton má velmi komplikovanou strukturu. Skládá se nejen  ze tří tzv. valenčních (konstituentních) kvarků, ale i z velmi komplikovaného vakua popsatelného pomocí virtuálních gluonů a kvarků, způsobeného velmi intenzivní silnou interakcí mezi konstituentními kvarky. Toto vakuum nese nezanedbatelnou část hybnosti protonu.

Tři konstituentní kvarky k popisu protonu nestačí Blíže o vlastnostech fyzikálního vakua, virtuálních částicích ZDE


Při srážce pak dochází ke srážce konstituentního kvarku nebo některé z virtuálních částic jednoho protonu s reálnou nebo virtuální částicí druhého protonu. Jen část energie urychlených protonů se tak účastní srážky a může být využita pro produkci nových částic.


 

Výhodou elektronového urychlovače je, že rozměry elektronu jsou v současných experimentech   bodové (jsou menší než již zmíněná tisícina fm) a při srážce se tak realizuje veškerá energie urychlené částice. Jeho velkou nevýhodou je zmiňované synchrotronové (brzdné) záření. Nabitá částice pohybující se velmi rychle pohybem, který není rovnoměrný přímočarý, vyzařuje elektromagnetické záření (tedy fotony). Intenzita a energie tohoto záření rychle roste s rychlostí pohybující se částice a klesá s s kvadrátem hmotnosti částice. Pohyb po kruhové dráze není přímočarý. Elektrony pro takové energie, které se plánovaly pro nový urychlovač by už ztrácely brzdným zářením tolik energie, že by byla srovnatelná s tím, kolik jim bylo možno dodávat urychlováním. Protony mají hmotnost o tři řády větší než elektrony,  ztráty způsobené vyzařováním brzdného záření jsou tak o šest řádů menší a tedy zanedbatelné. Proto padla volba na urychlovač protonů.


Urychlovač LHC je typu, který je označován jako synchrotron. Jedná se o urychlovač, který dokáže urychlovat relativistické částice a kompenzovat efekty speciální teorie relativity na pohyb částic. V daném případě se změnou magnetického pole udržuje urychlovaná částice na dráze se stále stejným poloměrem. Frekvence oběhu urychlované částice v urychlovači LHC stálá, protože už na počátku urychlování v něm se jejich rychlost jen zanedbatelně liší od rychlosti světla. Na elektronových synchrotronech bylo poprvé pozorováno synchrotronové záření a od nich dostalo svůj název.


V urychlovači LHC se urychlují proti sobě dva svazky protonů (takový urychlovač se označuje anglicky jako „collider“, česky někdy jako srážkovač). Proto se musí urychlovač skládat ze dvou nezávislých urychlovacích trubic a částice přicházející z předurychlovačů se musí rozdělit do dvou částí. Proč se přistupuje k takovému komplikovanějšímu řešení a nevyužije se srážek protonů nebo jader s jádry v pevném či kapalném terči, který je vůči laboratoři v klidu? Navíc, když bychom tím získaly výhody o mnoho řádu vyšší hustoty jader v takovém terči oproti svazku urychlovaných iontů? Důvod výhodnosti vstřícných svazků je dán srovnáním energie využitelné při srážce. Ta je dána zákony zachování energie a hybnosti. Jestliže se proton srazí s protonem, který je vůči laboratoři v klidu, lze využít jen část energie. Značná část původní kinetické energie zůstává spojena s pohybem těžiště dvojice srážejících se částic. Při čelní srážce dvojice identických částic se stejnou kinetickou energií lze využít veškerou tuto energii. U LHC to znamená, že pokud bychom sráželi protony urychlené na plánovanou kinetickou energii 7000 GeV, lze využít u pevného terče energii pouze 118 GeV. Zbytek se utopí v pohybu těžiště. Jestliže srážíme vstřícné svazky protonů s touto energií, lze využít veškerou kinetickou energii 14000 GeV.

Dostaneme tak o více než řád větší energii pro produkci nových částic a o tolik větší i jejich hmotnost. A tak se dva svazky protonů urychlují v opačném směru ve dvou nezávislých trubicích, které se v několika místech protínají a právě v místech těchto protnutí se protony srážejí a jsou zde umístěny jednotlivé detektorové sestavy.

 

Nakonec nám zbývá vysvětlit slovo hadronový v názvu urychlovače. Jako hadrony se označují částice, které interagují i silnou interakcí. Protony, které jsou na LHC urychlovány, jsou hadrony a hadrony zároveň ve velkém množství při srážkách vznikají. Studium prováděné pomocí něho by mělo zásadní měrou přispět k pochopení silné interakce. Tedy té, která stojí za vlastnostmi hadronů. A tím se dostáváme k plánovaným experimentům.

Zvětšit obrázek
Instalace detektorového systému ATLAS

 

Vysokoenergetické experimenty a jejich úkoly.

Pouze vytvořit nové částice či oblast velmi horké a husté hmoty by bylo samoúčelné. Potřebujeme studovat jejich vlastnosti. K tomu je nutné místo srážky obklopit složitým systémem detektorů. Jejich úkolem je zachytit co největší počet částic vyletujících z místa srážky a určit co nejpřesněji jejich fyzikální veličiny. Ty nám pak umožní určit třeba i teplotu, hustotu a další vlastnosti vznikající horké a husté zóny, vlastnosti vznikajících krátce žijících částic nebo strukturu srážejících se objektů.

 

 

Úkolem detektorových sestav, které se staví ve čtyřech podzemních prostorách LHC je tak:
1) Zachytit co nejvíce částic a určit jejich parametry (pokrýt co největší prostorový úhel).
2) Zachytit dráhy krátce žijících částic nebo dráhy jejich produktů rozpadu v blízkosti místa srážky s velmi dobrým prostorovým rozlišením.
3) Určit náboje částic a další jejich charakteristiky umožňující jejich identifikaci.
4) Určit hybnosti částic, to je většinou spojeno s určením jejich dráhy v magnetickém poli ve velkém prostoru.

Zvětšit obrázek
Zasouvání soustavy vnitřních dráhových detektorů (experiment ATLAS)

5) Zachytit a určit celkovou energii i těch nejenergetičtějších částic.

Protože při srážce vstřícně letících protonů vyletují vzniklé částice rovnoměrně, Je třeba detektory rovnoměrně pokrýt co největší prostorový úhel. Při tak energetických srážkách vynikají až desetitisíce částic. Proto musí mít detektory i dostatečné prostorové rozlišení. Všechny čtyři velké detektorové sestavy ATLAS, CMS, LHCb a ALICE budované na LHC v samostatných podzemních prostorách jsou konstruovány tak, aby obklopily co nejúplněji místo srážky. Dva malé experimenty TOTEM a LHCf. jsou doplňkové a zaměřené na detekci částic, které se jen velmi málo odchýlily od dráhy původních svazků protonů. Tím je dána i poloha a konstrukce jejich detektorů.

 

Velké sestavy mají do určité míry podobné uspořádání. V jejich centru, blízko srážkové oblasti, jsou vnitřní dráhové detektory. Jejích úkolem je určit s velmi vysokou přesností dráhu krátce žijících primárních i sekundárních částic a produktů jejich rozpadů. Proto musí mít extrémní poziční rozlišení, které se pohybuje až v řádu desítek mikrometrů. Nejčastěji se používají polovodičové (křemíkové) dráhové detektory. Jedná se o tenké destičky z křemíku rozměrů několika až několika desítek centimetrů. V nich jsou vytvořeny elektrody, které odvádějí signál vytvořený průletem ionizující nabité částice. Pomocí těchto detektorů se kolem srážkové oblasti vytvoří několik vrstev, které dokáží určit současně dráhu tisícovek částic v prostoru. Existují tři různé typy křemíkových dráhových detektorů. U křemíkových pixelových detektorů vytvářejí elektrody buňky (pixely) o rozměru řádově pár desítek mikrometrů. Takové detektory mají nejlepší poziční rozlišení, ale zároveň jsou technicky i finančně nejnáročnější. Proto se využívají ve vrstvách, které jsou nejblíže srážkové oblasti. Dalším typem jsou křemíkové stripové detektory, kde se jedná o proužky. Křemíkové driftové detektory mají elektrody vytvářející linky, takže jedna souřadnice je dána polohou elektrody, na které se objeví signál. Druhá pak dobou, která uplyne, než signál na elektrodě po ní dodriftuje do místa jeho vyčítání. Přesnost určení polohy pak udává nejen hustota elektrod, ale také časové rozlišení vyčítání signálu. Tyto detektory většinou tvoří vnější vrstvy vnitřního dráhového detekčního systému. Všechny tři typy vyžadují extrémní integraci a velmi kvalitní polovodičový materiál.  Připojování drátků vedoucích od vyčítací elektroniky k elektrodám se například provádí „bondováním“ s využitím speciálního zařízení pod mikroskopem.

 

Zvětšit obrázek
Instalace časově projekční komory experimentu ALICE

Další detektorový systém by měl umožnit určit dráhu, náboj a hybnost dlouhožijících nebo stabilních nabitých částic. Částice mají velmi vysokou energii, proto musí mít tyto detektory velmi velké rozměry. K určení náboje a hybnosti částice pak slouží její pohyb v magnetickém poli. Proto musí být tyto detektory umístěny v magnetickém poli velkých magnetů, často supravodivých. Supravodivý magnet má například experiment ATLAS. Experiment ALICE má jeden z největších klasických elektromagnetů. Samotnými detektory jsou velké mnohodrátové driftové nebo časově projekční komory.

Zvětšit obrázek
Velký klasický magnet experimentu ALICE pracoval původně pro experiment L3 na urychlovači LEP.

Jsou to velké nádoby naplněné speciálním plynem, ve kterých větší či menší počet elektrod zaznamenává signál vznikající při průchodu nabité ionizující částice. Informace o poloze částice se dostává z polohy elektrody, která signál přijala a z doby driftu ať už oblaku nosičů náboje nebo signálu v elektrodě.

 

 

Další detektory, které se umisťují okolo popisovaných komor, jsou kalorimetry, které musí zastavit i ty neenergetičtější částice a určit jejich celkovou energii. Musí to proto být velmi mohutná zařízení. Jsou dvojího typu. První chytá hadrony, tedy částice interagující silnou interakcí, a říká se jim hadronové kalorimetry. Hadrony s velmi vysokou energií produkují při průletu materiálem v tříštivých reakcích s jádry velké množství dalších hadronů, které mohou následně způsobovat další tříštivé reakce. Dostáváme tak postupně se rozvíjející spršku stále většího počtu hadronů. Postupně, jak se celková energie původní částice stále více rozmělňuje do stále většího počtu hadronů, začne sprška postupně slábnout, až úplně zaniká. Hadronový kalorimetr se tak většinou skládá z masivních vrstev materiálu (často železa – je laciné) proložené citlivými vrstvami scintilačních detektorů, které zaznamenávají ionizaci prolétávajících částic spršky. Hadronové kalorimetry jsou vůbec největšími detektory částicových experimentálních sestav. Druhým typem kalorimetrů jsou elektromagnetické kalorimetry. Ty jsou určeny pro detekci částic, které neinteragují silnou ale pouze elektromagnetickou interakcí. Jedná se o fotony a leptony. Jestliže prolétá materiálem elektron nebo pozitron s vysokou energií, produkuje již zmíněné brzdné záření a tedy fotony s vysokou energií. Naopak foton s vysokou energií produkuje při průchodu materiálem páry vysokoenergetických elektronů a pozitronů.

Zvětšit obrázek
Montáž krystalů PbWO4 elektromagnetického kalorimetru.

Těmito procesy vzniká jak u fotonů tak i u elektronů a pozitronů tzv. elektromagnetická sprška tvořená velkým množstvím elektronů, pozitronů a fotonů. Zvláště  výhodné pro detekci fotonů jsou anorganické scintilační detektory založené na bázi krystalů BaF2 , BGO nebo PbWO4 . Tyto krystaly jsou však značně drahé a tak elektromagnetické kalorimetry většinou obklopují pouze část prostoru, do kterého vyletují částice.

 

Předchozí popis byl do značné míry zjednodušený. Konkrétní sestavy detektorů se pak řídí hlavními úkoly, které si daný experiment klade. Uplatňuje se tam řada dalších typů detektorů, o kterých jsem se zde nezmiňoval. Omlouvám se kolegům, že jsem nepopsal právě ten detektor, na kterém na LHC experimentech konkrétně spolupracují a souhlasím s nimi, že ten jejich je určitě nejzajímavější. Jak už bylo uvedeno, budou na urychlovači LHC čtyři velké experimenty. Experimenty ATLAS a CMS jsou zdaleka největší a jejich hlavním úkolem je pomoci studia srážek protonů testovat naše teorie struktury hmoty. Jedním z prioritních úkolů je hledat Higgsovy částice či supersymetrické částice. LHCb je také částicový experiment. Jeho hlavním úkolem je studium hadronů, které obsahují druhý nejtěžší kvark b. Hlavně pak testování nezachování CP symetrie, které má velký dopad na počáteční stavy vývoje vesmíru a vysvětlení toho, proč ve vesmíru zůstalo nakonec více hmoty než antihmoty. Poslední z velkých experimentů je ALICE, která je na rozdíl od předchozích tří zaměřena na studium srážek těžkých jader.

Zvětšit obrázek
Panoramatický snímek experimentu ALICE

Bude studovat velmi horké a husté stavy jaderné hmoty, které zde byly na počátku našeho vesmíru, a hlavně stavu, který se označuje jako kvark-gluonové plazma. Podrobnější povídání o plánech fyzikálních výzkumů pomocí urychlovače LHC a jejich možných dopadech na naše poznání vývoje vesmíru si můžete přečíst ZDE



Zpracování distribuované po celém světě - GRID

Už simulace, které probíhaly během návrhů, projektování i budování urychlovače LHC a detektorových soustav, vyžadovaly obrovské nasazení výpočetní techniky. Ještě větší nároky budou na ni budou v průběhu experimentu. Je třeba zajistit koordinovanou práci všech experimentálních sestav, statisíců kanálů, které sbírají data. Zajistit kontrolu funkce všech prvků systému a umožnit výběr případů, které nás zajímají. Obrovské množství vybraných dat je třeba sebrat a uložit. Při jednotlivých srážkách vznikají desítky tisíc částic. Více jich je pochopitelně při srážce jader než protonů. Experiment ALICE tak na každou srážku řádově stovku MBy a bude zaznamenávat až stovku případů za sekundu. Experiment ATLAS bude sice zaznamenávat více srážek za sekundu, ale jeho případy budou menší (vzniká méně částic). Rychlost ukládání informací tak bude v obou případech jednotky GBy za sekundu. Experimenty poběží dny a měsíce, takže je vidět, že i jen uložení tak obrovského množství dat není jednoduchou záležitostí. Ještě náročnější je zpracování těchto dat. K tomu už nestačí jedno třeba i veliké výpočetní centrum. Proto již dopředu byl v laboratoři CERN vypracován nový systém umožňující distribuované zpracování dat v celosvětové síti s názvem GRID. Stejně jako systém WWW, který také pochází z laboratoře CERN, je již využíván i v jiných oblastech než v částicové fyzice.

Zvětšit obrázek
Systém GRID umožňuje distribuované zpracování dat počítači bez ohledu, kde na Zemi jsou umístěny.

 

Zvětšit obrázek
Jedna z počítačových farem.

Už nyní se testuje proces zpracování pomocí simulovaných dat. Těchto testů se účastní i počítačová farma Goliáš umístěná ve Fyzikálním ústavu AVČR, ve které běží několik stovek procesorů.  Také v dalších počítačových farmách po celém světě již nyní pracují stovky a tisíce procesorů.


 

 
Jak jsme na tom v současnosti?

V záhlaví našeho povídání je citován závěr vystoupení, které pronesla Daniela Macini, jedna z vedoucích pracovnic podílejících se na budování LHC, na pracovním setkání fyziků, kteří se zabývají vývojem, přípravou a  budováním detektorových sestav pro experimenty v oblasti částicové a jaderné fyziky vysokých energií. Tuto konferenci TWEPP (Topical workshop on electronics for particle physics) pořádá laboratoř CERN každoročně v některé ze svých členských zemí. Minulý rok se uskutečnila v Praze a místními organizátory byly čtyři instituce, které jsou hlavními účastníky budování experimentů na urychlovači LHC v České republice. Jedná se o MFF UK, ČVUT a dva ústavy AV ČR: Fyzikální ústav a Ústav jaderné fyziky. Protože se jednalo o konferenci těsně před spuštěním LHC, je pochopitelné, že největší část příspěvků se týkala právě tohoto zařízení. V průběhu konference tak bylo možno si udělat velmi dobrou představu o stavu dokončování samotného LHC i jednotlivých experimentů.

 

Zvětšit obrázek
Spojení mezi dvěma sekcemi urychlovače LHC

Extrémně náročný projekt.

Náročnosti projektu je možné dokumentovat i několika čísly. Obvod urychlovače LHC je 27 km, což už je slušná linka metra. Na tomto obvodu se vyskytuje 200 teplých (klasických) a 1700 supravodivých elektromagnetů. To představuje 1700 kryogenních spojů a muselo se provést  na 50000 kryogenních svarů. Spotřebovalo se na 200 000 m2 vícevrstevné izolace, která musela zajistit nejen dokonalou tepelnou ochranu.

 

Zvětšit obrázek
Provádějí se i zkratovací testy, při kterých se sleduje rozložení teploty termokamerou.

 

U řady systémů, detektorů, elektronických prvků se při přípravě projektu plánovaly takové parametry, které ještě v té době nebyly dosažitelné. Jen se předpokládalo, že v průběhu následujících let se jich dosáhnout podaří. Již jsme zmiňovali křemíkové pixelové detektory a hraniční požadavky na jejich parametry.

 

V řadě případů vyčítací elektroniky byla požadována hraniční hodnota stupně integrace elektronických součástek. Navíc velká část elektroniky musí být schopna pracovat v radiačních podmínkách. Proto není nic divného, že se objevily problémy a těžkosti a došlo i ke zpožďování. Při instalaci a kompletaci probíhá řada testů nejen u LHC ale i u všech detektorových sestav.  Při testech se například objevila řada mechanických poškození, nejvážnější při testování magnetů. Naštěstí se neobjevila nějaká nepřekonatelná překážka a všechny nastalé závady se podařilo odstranit modifikacemi konstrukce.

 

Zvětšit obrázek
Jedno z projevených mechanických poškození


Letos se to rozjede

Jak jsme ukázali, je příprava spuštění urychlovače LHC ve finiši. Od počátku listopadu minulého roku je dokončen celý okruh urychlovače, otestovalo se propojení mezi urychlovačem SPS a LHC. První srážky urychlených částic se očekávají v polovině tohoto roku. Již teď některé detektory nabírají první data. Jedná se o miony kosmického záření, které dokáži proniknout i do takové hloubky (tunel urychlovače je zhruba v hloubce padesáti metrů). Je velká šance, že v druhé polovině roku už budou všechny experimenty nabírat kromě částic kosmického záření i reálná data ze srážek urychlených protonů a jader. Můžeme se tak již v brzké době těšit na nové překvapivé objevy pomocí popsaných zařízení. Fyzikové, kteří se zabývají vývojem urychlovačů, detektorů a elektronických systémů už pomalu LHC a jeho experimenty opouštějí a přesunují se k projektům nových zařízení. I když ne úplně, protože se pracuje na vylepšeních LHC. Také o těchto vylepšeních i úplně nových zařízeních, která by měla LHC v budoucnu nahradit, bylo několik příspěvků na zmiňované konferenci TWEPP. Ale o tom až někdy příště.

  

 

Téměř nekonečná řada svarů končí u toho posledního.

Datum: 08.01.2008 03:39
Tisk článku

Paměti kosmika - Hladký Jan
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 395 Kč
cena: 332 Kč
Paměti kosmika
Hladký Jan

Diskuze:

pouze teorie

seikosake,2008-05-19 14:29:25

jsem pro pokrok,chci vědět jak vzniknul vesmír,ale všechno je to pouze teorie.Hawking například tvrdil,že z černých děr neunikne nic,to byla jeho teorie.Po pár měsících se opravil.Takže mikroskopická černá díra se vypaří Hawkingovým zářením,je taky jenom teorie.Třeba má pravdu,možná ji nemá a nebo tam pronikne terorista a všechno bude jedno.Jestli mám umřít tak to bude alespoň s celou planetou.

Odpovědět

Slovní kotrmelec

Karel,2008-01-31 12:12:28

Věta "Téměř nekonečná řada svarů končí u toho posledního." je opravdu roztomilá :-)

Odpovědět

Nečekané události

Hirundo,2008-01-09 21:05:21

Rád bych v souvislosti s výše uvedeným článkem na tomto místě upozornil na článek "Nečekané události v blízké době":
http://ao-institut.cz/texty/Vesmir/15-vesmir-XIII-necekane-udalosti.html

Odpovědět


No to je úlet:-)

edison,2008-01-10 00:33:34

Redakci bych doporučil odkaz na ao-institut odstranit, protože je tímto Osel zneužíván ke zvyšování relevantnosti onoho nesmyslu u vyhledávačů.

K tomu se asi nic jiného napsat nedá...

Odpovědět


K tomu se asi nic jiného napsat nedá...

Aether,2008-01-10 05:22:50

K tomu se dá napsat spousta věcí. Současné teorie toho o chování hmoty mnoho neví. I o studené fůzi kdysi teoretici tvrdili, že je nemožná, nyní ale čím dál tím více experimentů ukazuje, že jde o reálné jevy, jen probíhají jinak, než si teoretici mysleli.

ČIli nebezpečí plynoucí ze srážkových experimentů na LHC je nízké, ale reálné. Ale není to riziko černých děr, které ostatně v urychlovači takových parametrů sotva můžou vzniknout. Existují ale mnohem stabilnější formy hmoty, které můžou s jádry atomů reagovat nestabilně. A vznikají za mnohem mírnějších podmínek.

Odpovědět


Rizika spojená s LHC

Vladimír Wagner,2008-01-10 09:08:12

Naštěsí máme experimentální pozorování, nezávislá na teoriích, že riziko z provozu LHC pro lidstvo nehrozí. O populárnější rozbor tohoto problému jsem psal povídání pro Neviditelného psa a můžete je přečíst na stránce: http://hp.ujf.cas.cz/~wagner/popclan/konec/denkonce.html

Odpovědět


pane jo...

Marek,2008-01-10 14:54:06

To jsou bláboly, škoda že tam chybí podpis :-)
Co nejzjednušeněji řečeno, někomu stačí aby se v názvu aparatury ukázalo LARGE, BIG, SUPER atp. a už dělá bobečky... ve srovnání s okolním vesmírem jsme ve srážení částic uplný amatéři :-) Přeci děje které se mají odehrát v LHC se dnes a denně dějí ve vysokých vrstvách atmosféry když k nám nějaká bujará částice přiletí a narazí. Nebo se pletu?

Odpovědět


Nebo se pletu?

Aether,2008-01-10 22:08:29

To se pleteš, protože v LHC se srážejí protiběžné paprsky protonů s potenciálně nulovým výsledným momentem. Srážkou protonu v atmosféře vzniká sprška částic, které mají jednak vysokou rychlost vůči, takže se v ní dlouho nezdrží, druhak ke srážce dojde už v řídké atmosféře, takže se produkty srážky rozpadnou dřív, než se stačí zpropagovat dál.

Odpovědět


máme experimentální pozorování...že riziko

Aether,2008-01-10 22:09:53

Jasně, takže když víme jak to dopadne, proč vlastně vůbec s těmi srážkami experimentovat?

Odpovědět


Pro Hirunda a Aethera

H,2008-01-11 11:26:30

Po přečtení vačeho duchovního článku vám doporučuji již teď vzít nohy na ramena a utíkat opravdu co nejdále. Cituji: "...zadělali na černou díru, která by velice rychle pohltila nejen CERN s urychlovačem, ale i Zemi, Sluneční soustavu, Galaxii…" potvora jedna černá :-)

Odpovědět


Myslíte, že autor toho článku

V.Novák,2008-01-11 16:47:42

má představu, co vlastně chce říci? Že neví o čem mluví, to je zřejmé rovnou.

Odpovědět


Odpověď na poznámky Aethera (Zephyra)

Vladimír Wagner,2008-01-14 18:59:47

Ze srážek jader kosmického záření víme, že nedojde k žádné katastrofě. Což ovšem neznamená, že se nedovíme spoustu různých zajimavých a nečekaných informací. Tedy, jistěže se objeví spoustá nových zajímavých experimetálních skutečností a proto tyto experimenty děláme. K tomu není nutné, aby nastala katastrofa. I když je mi jasné, že bez toho to není zajimavé pro Blesk. :-)) K rozdílu mezi srážkou v těžišti u LHC a "netěžišťové" u kosmického záření. Ke srážkám jader kosmického záření nemusí docházet jen v atmosféře. Například na Měsíci žádná atmosféra není. Navíc, pokud se jedna o "krátce" žijící objekty, tak je to jedno, protože v LHC budou srážky probíhat v relativně hlubokém vakuu. Pokud půjde o relativně stabilní objekty, pak v případě elektricky nabitých - např. různé podivnůstky (strangelets) - se vlivem ionizace zastaví a dostaneme stejný výsledek pro LHC i srážku kosmického záření. Neutrální objekty interagující silnou interakcí pak také touto interakcí ztratí energii a mohou se dostat i u srážky kosmického záření do situace stejné jako u LHC. Zůstávají nám pak pouze elektricky neutrální objekty interagující pouze slabou a gravitační nebo pouze gravitační interakcí. Tam už je rozbor poměrů mezi možností vzniku takového objektu s příslušnou relativní rychlostí vůči hmotě planety u srážek na LHC a srážek kosmického záření u různých typů srážek (proton-proton, proton-jadro, jadro-jadro) složitější. Ovšem i v tomto případě existence kosmického záření a rozbor možných vlastností takových objeků svědčí o nepravděpodobnosti nějaké katastrofické události.

Odpovědět

LHC

Jirka,2008-01-09 13:11:32

Kdyz jsem se byl na LHC v lete podivat, tak v tunelu jeste sekce nebyly pospojovane.

Naprosto mne dostala ta obrovska disproporce rozmeru. Trubky s vakuem jsou vcelku titerne a usti do obrovskych detektoru. Zatim jsem jeste nikdy nevidel podobne velky stroj, natoz pristroj. Silena krava. Uz jenom divat se dolu temi 100m sachtami je ohromujici zazitek. Zadna fotografie to nemuze postihnout. Je neuveritelne, co clovek dokaze vymyslet a postavit. A pritom kazdy z clenu tymu ma jen temer zanedbatelnou znalost celku.

Odpovědět

Experiment

Standa,2008-01-09 02:08:48

Jak si mám představit jeden experiment na urychovači? Je to něco jako vymyslet pokus, zažádat o pozorovací čas a pak dostat a zpracovat výsledky, nebo se naopak ke každému pokusu musí vyrábět nějaká aparatura, přídadně rekonfigurovat části urychlovače, nebo dokonce se všechny experimenty vymyslí ještě před stavbou a pak tam celou dobu probíhají, a veškeré objevy spočívají v hledání něčeho zajímavého naměřených výsledcích?

Odpovědět


"Experiment" a "experiment"

Vladimír Wagner,2008-01-10 08:55:55

V tomto ohledu se dost liší situace u menších zařízení a velmi velkých zařízení, u kterých už je (vzhledem k jejich ceně a náročnosti) program do značné míry definován dopředu a základ experimentální sestavy je vybudován hodně specializovaně a příliš se během jejího experimentálního života nemění. Tedy, většinou to funguje tak, jak popisuje Standa. Skupina fyziků příjde s návrhem experimentu, který využije urychlovačem dosažitelné parametry svazku a některé stávající experimentální zařízení, které je na něm postaveno. To připadně doplní či modifikuje nebo si přiveze vlastní. Návrh experimentu pošle s požadovanými marametry svazku a dobou ozařování komisi, která připravuje a schvaluje program provozu urychlovače. Pokud uspěje v soutěži s ostatními projekty, dostane experimentální čas na svazku (zázemí, podmínky a čas i na přípravu) a provede experiment, který následně (většinou na domovském pracovišti) zpracuje. V případě velmi velkých experimentálních zařízení musí být však již dopředu jasná základní kostra experimentálního programu a sestava se sice průběžně vylepšuje i případně doplňuje, ale základ se nemůže příliš měnit (cena zařízení). Tam se jednotlivé "experimenty" liší hlavně nastavením trigrů (elektroniky), která vybírá různé typy případů, které nás zajímají a zapisují se. V tomto případě se označení "Experiment" využívá i jako označení experimentálního zařízení (Experiment ATLAS, Experiment ALICE ...). Dlouho jsem uvažoval, jestli se této "dvojvýznamovosti" tohoto pojmu, která může mást, vyhnout. Ale nakonec jsem jej přece jen používal v obou významech. Děje se tak totiž běžně, takže na to čtenář stejně narazí.

Odpovědět


Trigry

Jirka,2008-01-10 16:03:14

Vladimire, mozna byste mel vysvetlit, co ty trigry jsou, k cemu slouzi a proc jsou tedy tak klicove.

Odpovědět


Co jsou "trigry" a co dělají

Vladimír Wagner,2008-01-14 18:08:13

Při srážkách urychlených částic velmi často hledáme velmi řídké (vzácné) události, které nastávají jen ve velmi málém počtu takových srážek. Sběr signálů z jednotlivých detektorů, sestavení zápisu informací a jeho uložení i uvedení systému do stavu opětné připravenosti pro detekci trvá relativně dlouho (jednotky mikrosekund i více). Kdybychom zapisovali případy bez výběru, zapsali bychom většinou nepotřebný balast a užitečných případů srážek by bylo jen velmi málo. Proto se při nabírání dat v experimentu uplatňuje výběr (trigr). Ten má většinou více úrovní. První úroveň je elektronická analogová ("hardwerová"). Vybírají se například ty události, kdy byl signál ve velkém počtu cetrálních detektorů (mnoho částic - centrální srážky - zajimavý případ), nebo se vyberou případy, kdy je signál zároveň v několika přesně definovaných detektorech. Tento typ trigru je velmi rychlý, takže výběr se uskuteční v řádu desítek nanosekund. Pokud případ nevyhovuje, další zpracování signálu se zastaví a celému systému detektorů se přikáže dostat se do režimu, kdy je připraven pro detekci další srážky. Pokud vyhovuje, postoupí se trigru vyšší úrovně. Ten už může být spojen i s výpočty (je i "softwerový") s využitím velmi rychlých čipů. Určí například, jestli poloha zasažených detektorů odpovídá dráze, která by mohla znamenat specifickou částici. Toto rozhodování trvá déle, ale pořád se nějaké mikrosekundy dají při včasném zastavení sběru a zaznamenávání nezajimavé srážky ušetřit. Je jasné, že současné experimenty, kdy hledáme reakce, která nastávají třeba jen v každé sta tisící srážce, by bez efektivních metod výběru (efektivních trigrů) nebyly možné.

Odpovědět


konkrétnější čísla

Vladimír Wagner,2008-01-14 18:14:16

Pár čísel tykajících se trigru jednoho konkrétního experimentálního zařízení jsou v članku http://hp.ujf.cas.cz/~wagner/popclan/hades/hadesprovesmir.htm

Odpovědět

Investice do urychlovače

Aether,2008-01-08 16:38:15

Je dobré si uvědomit, že i když experimenty jsou důležité, už dnes existují teorie, které předpovídají strukturu částic, jejich hmotnost, dobu rozpadu apod. velmi podrobně a přesně (např. Heimova teorie) a přitom vůbec nepotřebují ověřovat existenci Higgsova bosonu apod. záležitosti a lze je validovat experimenty s nízkými energiemi. K tomu přistupuje i riziko experimentů s vysokými energiemi, protože jejich proponenti rádi zamlčují skutečnost, že nestabilní fáze hmoty může vzniknout i při podstatně nižčích hustotách energie, než vyplývá z poměrně jednoduchých současných teorií (takovou fází ve styku s atomy je i poměrně stabilní neutronová kapalina).

Čili hodnota experimentů na urychlovači je z praktického hlediska spornější, než se má obecně za to. Experimenty s urychlovačem na oběžné dráze budou bezpečné, navíc ušetří část nákladů spojené s izolací proti otřesům, chlazením supravodivých magnetů, a vysokým vakuem. I to může být důvod, proč USA svůj projekt SSC v roce 1993 skrečovaly, zatímco vedení EU ve snaze USA na poli částicového výzkumu v rozšiřování LHEC pokračovalo.

Odpovědět


Jak jinak...

jáneosobně,2008-01-10 07:19:03

Zephire, aspoň se pod svůj příspěvek podepiš jako Zephir

Odpovědět


Zephire, aspoň se pod svůj příspěvek podepiš

Aether,2008-01-10 22:12:14

Jo a redakce mě smaže. Škoda času.
Ostatně si to vyzkoušej sám...;-)

Když se budete všichni podepisovat jako Zephir, třeba toho nechaj.

Odpovědět

Gridy a CERN

Ludek Matyska,2008-01-08 10:37:16

Dobrého dne,

jen bych chtěl upřesnit tvrzení, že Grid vymysleli stejně jako WWW v CERNu. CERN (respektive komunita částicových fyziků) je skutečně organizací, která velmi výrazně přispěla k rozvoji gridů a jejich nasazení, zejména v Evropě, ale samotná myšlenka vznikla již koncem 80. let pod názvem metapočítání -- chápáno nejprve jako spojení superpočítaočých center přes počítačovou síť a vytvářející virtuální velký superpočítač.
Samotný pojem Grid se poprvé řádně objevuje ve druhé polovině 90. let minulého století v knize Iana Fostera a Carla Kesselmana: The Grid: Blueprint for a new computing infrastructure. Morgan Kaufmann, Amsterdam, 1999 (ISBN 1558604758).

V České republice se budováním Gridu zabývá již od roku 1998 (tedy opět před zahájením přípravy LHC) sdružení CESNET (viz. http://meta.cesnet.cz). To je také zapojeno do rozvoje gridů společně s částicovými fyziky v rámci projektu EGEE (http://egee.cesnet.cz a http://www.eu-egee.org).

S pozdravem,

Luděk Matyska

Odpovědět


Děkují za upřesnění

Vladimír Wagner,2008-01-08 11:07:00

Luděk Matyska má pravdu. Ač by se experimenty na LHC bez GRIDu těžko obešly a CERN a požadavky částicových fyziků přispěly velkou měrou k rozvoji GRIDU. Za otce GRIDu jsou považováni Ian Foster, Carl Kesselman and Steve Tuecke.

Odpovědět

Pochvala

Peter,2008-01-08 08:36:11

Chcel by som autorovi podakovat za pekny clanok

Odpovědět


pochvala2

Dagmar,2008-01-08 22:30:58

Pripájam sa k poďakovaniu

Odpovědět


podakovanie

laoce,2008-01-09 20:33:30

Aj ja by som chcel podakovat a dufamze bude pokracovanie. Velmi prijemne citanie. Klobuk dole...:o))

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni


















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace