Wykrycie mionu – cząstki wytworzonej podczas zderzenia wiązek cząstek elementarnych – oznacza, że zaprojektowany i zbudowany w Polsce elektroniczny system selekcji zdarzeń działa zgodnie z oczekiwaniami. "Dla nas wszystkich to wyjątkowy moment, uwieńczenie 18 lat prac badawczych i inżynierskich” – zaznacza prof. Grzegorz Wrochna, dyrektor Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku (IPJ).
Jak wyjaśnia dr Pawłowski, w eksperymencie CMS (Compact Muon Selenoid) są prowadzone badania efektów zderzeń wiązek protonów lub ciężkich jonów. „Sam detektor ma długość 21 m, szerokość 15 m, wysokość 15 m, waży 12 500 t. Centralny obszar CMS, nazywany beczką, przypomina budową cebulę: punkt przecięcia obu wiązek cząstek jest otoczony przez kolejne warstwy detektorów, przy czym detektory wewnętrzne są tak dobrane, aby jak najmniej wpływały na pomiary w warstwach zewnętrznych” – opisuje rzecznik IPJ.
Gdy protony z tunelu akceleratora LHC zderzają się wewnątrz CMS-a, jednym z produktów zderzeń są miony o dużych energiach.
"Miony to kuzyni elektronów: mają ten sam co one ładunek elektryczny, lecz masę ok. 200 razy większą. Cząstki te są słabo absorbowane przez materię, powinny więc zostać zarejestrowane przez wszystkie warstwy detektorów w CMS” – tłumaczy dr Pawłowski.
Czy jednak fizycy mają pewność, że mion powstał w detektorze, a nie przyleciał z kosmosu? „Na szczęście miony wytworzone w LHC powinny rozbiegać się z wnętrza detektora na zewnątrz. I właśnie taki ślad udało nam się ostatnio zaobserwować” – zapewnia dr Michał Szleper z Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku.
Docelowo wiązki cząstek wewnątrz detektora CMS będą się przecinały 40 milionów razy na sekundę, a podczas każdego przecięcia dojdzie do 20-30 zderzeń. Ponieważ opis każdego zderzenia zajmuje około megabajta danych, przechowanie i przeanalizowanie tak gigantycznej ilości informacji nie byłoby możliwe.
Większości przypadków towarzyszą procesy doskonale znane fizykom, można więc było opracować system, który z każdych kilkudziesięciu tysięcy zdarzeń potrafi wyłowić jedno lub dwa warte zapisania. "Zadanie przypominało szukanie igły w stogu siana, na dodatek na czas” – wspomina dr Szleper. Obecność mionów o dużych energiach wśród powstałych cząstek jest sygnałem, że zderzenie mogło być ciekawe.
Układ wyszukujący ciekawe zdarzenia, nazywany mionowym systemem wyzwalania, ma kluczowe znaczenie dla efektywnego działania detektora CMS. Został zbudowany przez Grupę Warszawską CMS, w skład której wchodzą naukowcy z Instytutu Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego, Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku i Instytutu Systemów Elektronicznych Politechniki Warszawskiej.
Jak opisuje rzecznik IPJ, w pierwszym etapie selekcję zdarzeń przeprowadza się za pomocą złożonego systemu elektronicznego zaprojektowanego w Polsce. 1700 płyt z elektroniką koduje sygnały z ponad 2300 komór detekcyjnych RPC (Resistive Plate Chamber), reagujących na przeloty cząstek. Sygnały te są następnie przesyłane za pomocą 730 łączy optycznych do 108 specjalizowanych kart elektroniki – trygerów RPC, zawierających łącznie 400 procesorów. Drugi etap, polegający na selekcji zdarzeń za pomocą dedykowanego oprogramowania, został opracowany i zrealizowany przez zagraniczne zespoły naukowe.
Jednym z głównych zadań eksperymentu CMS jest wykrycie bozonu Higgsa, hipotetycznej cząstki przewidywanej przez Model Standardowy, naszą najlepszą teorię budowy materii. Bozon Higgsa prawdopodobnie nadaje masę innym cząstkom elementarnym.
"Znalezienie higgsa w CMS-ie byłoby wielkim sukcesem Modelu Standardowego. Jednak znacznie ciekawszą sytuację mielibyśmy, gdyby nie udało się go zaobserwować. Oznaczałoby to, że przez ponad trzydzieści ostatnich lat fizyka znajdowała się na błędnym tropie, a nasza rzeczywistość jest ciekawsza niż sądziliśmy” – uważa dr Szleper.
W eksperymencie CMS zostaną również podjęte próby wykrycia dodatkowych wymiarów oraz cząstek-kandydatów na składniki ciemnej materii. EKR
