Zahlavi

Srážky ultrarelativistických iontů

V popředí zájmu současné jaderné fyziky je studium vlastností silně interagující jaderné hmoty za extrémních podmínek, které panovaly ve Vesmíru krátce po jeho vzniku. Velký třesk je v laboratorních podmínkách simulován pomocí srážek dvou jader urychlených na ultrarelativistické energie, při kterých je hmota stlačena a zahřáta do stavu s extrémními hodnotami hustoty energie a teploty, kdy nukleony (protony a neutrony) srážejících se jader přestávají existovat. Na jejich místo nastupují kvarky a gluony doposud uvězněné uvnitř nukleonů a jaderná hmota se na krátký okamžik přeměňuje do nové fáze - kvarkového-gluonového plazmatu (QGP). Podobně jako tomu bylo několik mikrosekund po vzniku Vesmíru, při dalším rozpínání hmota chladne, její hustota a teplota klesají a hmota se navrací do stavu, kdy jsou kvarky a gluony vázány v hadronech.

STAR experiment

STAR (Solenoidal Tracker At RHIC)

STAR je multifunkční experiment s velkou akceptancí umožňující širokou řadu unikátních měření přispívajících k celkovému porozumění vlastností srážek těžkých iontů na urychlovači RHIC v BNL. RHIC je všestranný hadronový urychlovač, který umožňuje studium fázového diagramu jaderné hmoty ve velkém rozsahu energií jádro-jaderných srážek (7 -200 GeV v těžišťovém systému na nukleon-nukleonový pár) společně s možností srážek různých druhů atomových jader (od protonu až po uran).

star_rhic

Schéma experimentu STAR na urychlovači RHIC

V minulých letech se výzkum v experimentu STAR soustředil zejména na studium vlastností horké a husté jaderné hmoty ve srážkách jader zlata (Au) při nejvyšší energii urychlovače RHIC (200 GeV) společně s měřením vlasností tzv. chladné jaderné hmoty v malých srážkových systémech (proton+proton, proton+Au nebo deuteron+Au), ve kterých se neočekává vznik QGP. V roce 2018, proběhlo měření tzv. isobarických srážek jader ruthenia (96Ru+96Ru) a zirkonia (96Zr+96Zr) s cílem detailního pochopení chirálního magnetického efektu. Toto studium má fundamentální impakt nad rámec vysokoteplotní QCD.

V nejbližších letech bude v experimentu STAR kladen důraz zejména na hledání kritického bodu fázového diagramu jaderné hmoty v rámci dedikovaného fyzikálního programu Beam Energy Scan (BES), umožňujícího měření vlastností hmoty v Au+Au srážkách při různých energiích srážky. Po velmi úspěšné první fázi programu BES ukončené v roce 2014, která poskytla nadějné náznaky při energii srážek pod energií 20 GeV, bude v rámci druhé fáze programu BES studováno několik pozorovatelných s vyšší statistikou a zdokonalenými detektory experimentu STAR v rozsahu energií od 7.7 do 19.6 GeV, resp. v rozsahu 3 až 7.7 GeV, kdy urychlovač RHIC a experiment STAR budou operovány v režimu pevného terčíku. Vysoké statistiky dat při těchto velmi nízkých energiích na urychlovači RHIC bude dosaženo díky novému chlazení nízkoenergetickými elektrony a podélnému zvětšení balíčku urychlovaných iontů, což povede ke zvýšení luminosity urychlovače RHIC.

star_fazovy

Fázový diagram jaderné hmoty

Copyright: Brookhavenská národní laboratoř

Kromě výzkumu horké a husté jaderné hmoty, je urychlovač RHIC jediným urychlovačem na světě, který umožňuje srážet svazky polarizovaných protonů za účelem studia “chybějícího” spinu proton. Tři kvarky, ze kterých je proton tvořen, jsou zodpovědné pouze za asi 20 procent spinu protonu. Proto dedikovaný spinový program probíhající na urychlovači RHIC a v rámci experimentu STAR je paralelně se studiem srážek těžkých jader klíčový pro pochopení této fundamentální otázky částicové fyziky.

Skupina experimentu STAR v ÚJF se v minulosti primárně věnovala měření femtoskopických korelací tzv. fireballu horké a husté jaderné hmoty, který ve srážkách vzniká. V poslední dekádě se fyzikální fokus posunul směrem k tomografii jaderné hmoty pomocí tvrdých sond – těžkých kvarků a jetů, které vznikají v počáteční fázi jaderné srážky.

star_zdc

Údržba detektoru ZDC experimentu STAR v BNL

 

star_hft

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 HFT (Heavy Flavor Tracker) detektor experimentu STAR před jeho instalací v BNL

Fotografie: Roy Kaltschmidt, LBNL, USA

V experimentu STAR se dále aktivně podílíme na chodu detektorů a jejich údržbě. Od roku 2000, kdy byl experiment STAR uveden do provozu, jeho detektory prodělaly několik důležitých modernizací a rozšíření, aby byl experiment STAR schopen čelit novým výzvám rychle se vyvíjejícího oboru fyziky srážek těžkých iontů a mohl plně využít excelentních vlastností urychlovače RHIC. V letech 2014-2016 byl STAR doplněn o precizní vrcholový detektor HFT (Heavy Flavor Tracker), pro který členové naší skupiny přispěli simulacemi, testy a kalibrací. V současné době jsme zodpovědní za údržbu a chod detektoru ZDC (Zero Degree Calorimeter) experimentu STAR.

Členové experimentu STAR:

Vědečtí pracovníci:

RNDr. Jana Bielčíková, Ph.D. (vedoucí skupiny experimentu STAR)

doc. Mgr. Jaroslav Bielčík, Ph.D.

doc. Michal Šumbera, CSc. DSc.

Postdoktorandi:

Mgr. Pavol Federič, Ph.D.

Ph.D. studenti:

Ing. Robert Líčeník

Ing. Jan Vaněk

Ing. Miroslav Šimko

Diplomanti:

Bc. Veronika Agafonova

Bc. studenti:

Josef Bobek

Georgy Ponimatkin

Monika Robotková

Kontaktní osoba:

RNDr. Jana Bielčíková, Ph.D., jana.bielcikova@ujf.cas.cz

 

 

ALICE experiment

ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

 

schema_aliceSchematický pohled na experiment ALICE v laboratoři CERN

ALICE je jedním ze čtyř velkých experimentů pracujících na urychlovači LHC v CERN a zároveň je ALICE jediným LHC experimentem plně dedikovaným výzkumu jaderné hmoty v podmínkách extrémní hustoty a teploty. Experimentální program kolaborace ALICE je velmi široký a fyzici se v rámci něj snaží zachytit vlastnosti jen velmi krátce žijícího stavu kvarkovo-gluonového plazmatu. Naše skupina v ÚJF se zaměřuje na studium produkce jetů - kolimovaných spršek částic vznikajících při fragmentaci vysoce energetických kvarků a gluonů. Vzhledem k tomu, že k produkci jetů dochází v době těsně před nebo ihned po vzniku extrémního stavu hmoty, jsou jety používány jako ideální nástroj ke studiu vlastností QGP.

V rámci spolupráce na experimentu ALICE jsme již od samého počátku zapojeni do projektu vnitřního dráhového detektoru ITS (Inner Tracking System). Detekor ITS v současnosti prodělává velkou inovaci. Nový detektor ITS bude tvořen sedmi vrstvami křemíkových čipů a bude umístěn v bezprostředním okolí místa, kde dochází ke srážkám svazků. Tento nový ITS detektor bude uveden do provozu v roce xxx a umožní mj. velmi přesná měření částic obsahujících těžký kvark. V našem ústavu používáme protonový svazek z cyclotronu U-120M k testování radiační odolnosti různých elektronických součástí tohoto detektoru (programovatelná hradlová pole, křemíkové čipy, kabely). Podílíme se také na analýze radiačních testů prováděných v jiných laboratořích zapojených do projektu ITS.

ozarovani_alpideOzařování křemíkového čipu ALPIDE na cyklotronu U-120M  

 

 
Příprava aparatury pro ozařování programovatelného hradlového pole 

priprava_aparaturyalice_its

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nový vnitřní dráhový detektor ITS experimentu ALICE

Naše skupina je také zapojena do projektu distribuované výpočetní infrastruktury pro zpracování a archivaci dat produkovaných detektory na LHC. Množství těchto dat významně překračuje kapacitu výpočetního centra umístěného přímo v CERN. Z tohoto důvodu vznikla celosvětová infrastruktura výpočetních center propojených vysokorychlostní sítí a spravovaných institucemi zapojenými do experimentů na LHC. Centra zahrnutá v této infrastruktuře tvoří tzv. LHC Computing Grid (LCG) a poskytují dostatečné kapacity pro zpracování a uskladnění dat z LHC. Náš příspěvek do projektu LCG spočívá v zajištění bezporuchového zpracování a ukládání dat experimentu ALICE ve výpočetním centru ve Fyzikálním ústavu AV ČR, které patří do LCG a kde jsou instalovány výpočetní servery pro experiment ALICE a část úložných kapacit. Další část úložných kapacit pro experiment ALICE je umístěna přímo v ÚJF v Řeži.

alice_datove

 

 

 

 

 

 

 

 Jeden z úložných serverů pro experiment ALICE v ÚJF AV ČR s kapacitou 340 TB

 

Členové experimentu ALICE:

Vědečtí pracovníci:

RNDr. Filip Křížek, Ph.D. (vedoucí skupiny experimentu ALICE)

RNDr. Dagmar Adamová, CSc.

RNDr. Jana Bielčíková, Ph.D.

Svetlana Kushpil CSc.

doc. Roman Pasechnik Ph.D. (teorie)

doc. Michal Šumbera, CSc. DSc.

Ph.D. studenti:

Ing. Artem Isakov

Diplomanti:

Bc. Martin Adam

Bc. Valentina Raskina

Kontaktní osoba:

RNDr. Filip Křížek, Ph.D., krizek@ujf.cas.cz