En stor utmaning för ALICE-samarbetet är att bygga en detektor som är optimerad för att
studera kollisioner mellan tunga kärnor, som ger upphov till en täthet av partikelspår som
aldrig tidigare skådats. Några av detektorns huvudelement illustreras här.
Flygtiden (TOF)
Partiklar identifieras i ALICE-detektorn
med hjälp av flygtiden (TOF); tunga
partiklar är långsammare och tar längre
tid på sig att nå de yttre delarna av
detektorn. Som TOF-system använder
ALICE s.k. “multigap resistive plate
chambers”, vars prototyp syns på bilden.
Det inre spårningssystemet (ITS)
Det inre spårningssystemet (ITS) består av sex
cylindriska lager av kiseldetektorer,
monterade på stödstrukturen på bilden.
Lagren omger kollisionspunkten och mäter
egenskaperna hos de producerade partiklarna
och kan på bråkdelar av en millimeter
fastställa var partiklarna passerar. ITS kommer
att kunna känna igen partiklar som består av
tunga kvarkar, genom att observera deras
sönderfall.
Tidsprojektionskammaren (TPC) är den
huvudsakliga beståndsdelen i ALICEexperimentets spårningssystem.Laddade partiklar
som passerar genom gasen i kammaren slår ut
elektroner från atomerna i gasen.Dessa elektroner
börjar sedan driva i ett elektriskt fält. Genom att
mäta tiden det tar för elektronerna att komma
fram till kammarens ände, delad i segment, som
det på bilden, kommer man att kunna
rekonstruera den tredimensionella väg den
ursprungliga, laddade partikeln tagit genom TPC.
TRD (Transition Radiation Detector)
Elektroner och positroner (positiva elektroner) kan
skiljas från andra partiklar genom deras emission av
röntgenfotoner som partiklarna ger ifrån sig när de
går genom flera tunna skikt av olika material. För att
utveckla en TRD för ALICE, har många olika prototyper
testats i pion- och elektronstrålar och ett exempel från
en sådan test visas på bilden.
Detektorn
ALICE
A Large Ion Collider Experiment
ALICE-experimentet vid CERNs stora hadronkolliderare (Large
Hadron Collider, LHC) kommer att utforska ett ursprungligt
materietillstånd som existerade under vårt universums första skälvande
ögonblick.
En mängd fakta, baserade på undersökningar under 1900-talet, tyder på att vårt universum och allt som
finns i det har sitt ursprung i en kraftig smäll, den s.k. Big Bang. När universum expanderade och kyldes av,
uppträdde de partiklar, som utgör materiens byggstenar, och gav upphov till de strukturer som finns i
dagens universum, allt från atomer till galaxer.
Identifiering av partiklar med hög
hastighet (HMPID)
Identifiering av snabba, laddade partiklar görs
av en “Ring Imaging Cherenkov” detektor,
vilken mäter vinkeln hos det ljus som sänds ut
av snabba partiklar som rör sig i ett medium.
Denna prototyp testades framgångsrikt på
CERN 1997 och används vid datatagning vid
den Relativistiska Tungjonskollideraren i
Brookhaven National Laboratory i USA.
ALICE-samarbetet
Myonspektrometern
I myonspektrometern mäts myonpar,
speciellt de som bildas i sönderfallet av
J/ψ- och ϒ-partiklar. Spårningskammare
som detekterar myonerna, som
prototypen som visas på bilden, kommer
att tillverkas av ett speciellt
kompositmaterial, som är mycket stabilt
och samtidigt ytterst tunt.
Fotonspektrometern (PHOS)
Fotonspektrometern (PHOS) är utvecklad för
att mäta temperaturen genom att detektera
fotoner från kollisionerna. Spektrometern
tillverkas av tunga kristaller som de som syns
på bilden. När högenergetiska fotoner träffar
dessa kristaller, kommer de att lysa eller
scintillera, och detta ljus kan mätas.
Kristallerna är tillverkade av ett mycket tungt
material som stoppar de flesta fotoner.
1000 personer
från 76 institutioner
i 26 olika länder
Om du vill veta mer om ALICE eller
CERN, besök gärna hemsidorna
http://www.cern.ch/ALICE
Direkt efter Big Bang befann sig materien i universum enligt många teorier i ett tillstånd som kallas ett
Kvark-Gluon Plasma eller QGP – en het och kompakt blandning av partiklar som kallas kvarkar och gluoner.
Därefter, när universum fortfarande bara var ungefär 10 mikrosekunder gammalt, bildades ur plasmat de
protoner och neutroner som vi i dag hittar i atomkärnorna. Kvarkar och gluoner finns idag fjättrade inuti
protonerna och neutronerna. Materia som uppvisar stora likheter med ett Kvark-Gluon Plasma existerar
troligen i de centrala delarna av neutronstjärnor. Där är densiteten så hög att ett stycke materia av ett
knappnålshuvuds storlek innehåller lika mycket materia som den stora Keopspyramiden i Egypten.
Forskarna, som arbetar med ALICE-experimentet, kommer att använda CERNs kraftigaste
partikelaccelerator, Large Hadron Collider (LHC), för att skapa QGP genom att låta tunga atomkärnor
kolliderar med varandra. Under kollisionerna kommer kärnmateria att pressas ihop och hettas upp och
förhoppningsvis kommer protonerna och neutronerna att “förångas” till ett QGP. Chanserna för att detta
skall ske ökar med kärnornas storlek och kollisionsenergi. Därför har ALICE valt att kollidera blykärnor, de
tyngsta stabila kärnorna med 208 protoner och neutroner. För att göra bilden fullständig innefattar ALICEsamarbetet också studier av kollisioner mellan lättare kärnor, mellan protoner och kärnor samt mellan
protoner.
http://www.cern.ch/ALICE
Europeiska organisationen för kärnforskning
April 2003
När tunga atomkärnor kolliderar …
Lilla Smällen vid LHC
Berättelsen om Kvark-Gluon Plasmat
e+
… kan QGP bildas …
e
K
Λ
Ω
µ
Denna process kan liknas vid andra mer välkända övergångar mellan olika
materietillstånd, som när is smälter till vatten och sen blir till ånga när
uppvärmningen fortgår. Liksom vid dessa kända fasövergångar väntar man sig
att plasmaövergången sker vid en väldefinierad temperatur, som kallas den
kritiska temperaturen.
100 MeV
an
lverk
e
x
Hadrongas
vä
ts a
g
rgån
J/ψ
e
v
sö
a
F
200 MeV
Jet
on
J/ψ
Under de tjugo senaste åren har experimenten vid CERNs Super Proton
Synchrotron (SPS) gett oss de första tecknen på att QGP kan skapas under
korta ögonblick i kollisioner mellan kärnor. Idag fortsätter dessa studier vid
Brookhaven National Laboratory i USA vid energier som är tolv gånger högre
än vid SPS. Med LHC på CERN kommer energin att vara 330 gånger så hög som
vid SPS och eldkulan, som skapas, kommer att vara hetare, större och mer
långlivad. Detta innebär i sin tur att fysikerna får möjlighet att göra mer
djuplodande studier av QGP och öppna upp ett helt nytt fält för ALICEexperimentet att utforska.
Fria Partiklar
nsi
π
Experimenten på CERN har som ett mål att återskapa Kvark-Gluon Plasmat i
form av små heta och kompakta eldkulor skapade i kollisioner mellan tunga
kärnor. ALICE-detektorn kommer att mäta upp resultatet från varje sådan
“Liten Bang” när eldkulorna expanderar och efter hand kyls ner. Man kommer
då att kunna observera hur QGP övergick till den typ av materia som idag fyller
vårt universum.
Temperatur
a
Exp
γ
Emellertid säger den moderna teorin för kvarkar och gluoner, den s.k.
kvantkromodynamiken, att om bara energitätheten är tillräckligt hög kommer
protoner och neutroner att förlora sina identiteter. Detta kan antingen ske vid
temperaturer, som med mer än en faktor 100 000, överskrider temperaturen i
solens centrala delar eller vid de extrema tätheter som råder i det inre av
neutronstjärnor, objekt som har massor jämförbara med solens men som bara
har en utsträckning på några kilometer. Vid dessa extrema tillstånd kommer
kvarkar och gluoner inte längre att vara bundna inuti sammansatta partiklar,
utan ett nytt materietillstånd, Kvark-Gluon Plasma (QGP), där kvarkarna och
gluonerna kan röra sig fritt, kan skapas.
På ett liknande sätt studerar fysikerna nu de olika faser i vilka universums
materia befunnit sig, samt de fasövergångar materien genomgått sen Big
Bang. Under Big Bangs första stadier, när universum var mycket hett och
kompakt, existerade materien i form av QGP. Först när universum svalnade av
under den för kondensering kritiska temperaturen, bildades de första
sammansatta partiklarna bestående av kvarkar och gluoner, först protonerna
och neutronerna och senare de enklare atomkärnorna.
Si
Materien i dagens universum består av atomer vars kärnor består av protoner
och neutroner och vars hölje består av moln av elektroner. Protonerna och
neutronerna är vardera huvudsakligen uppbyggda av tre elementarpartiklar,
som kallas kvarkar, som binds samman av andra partiklar, nämligen gluoner.
Bindningen är så kraftig att kvarkarna inte kan dras isär från varandra. Ett
försök att med stor kraft frigöra en av kvarkarna från det sammansatta
systemet resulterar istället i att fler partiklar, bestående av kvarkar och gluoner,
bildas.
e–
γ
500 MeV
= 300 000 xT
ϒ
Kvark-Gluon Plasma
… som vid avkylning kondenserar
till partiklar …
... och avslöja plasmats
hemligheter.
Bildserien ovan illustrerar en kollision mellan två tunga atomkärnor, vilka närmar sig varandra och
kolliderar med nästan ljusets hastighet. Enligt Einsteins speciella relativitetsteori ser de ut som tunna
pannkakor. Denna “Lilla Bang” i laboratoriet återskapar materiens ursprungliga tillstånd, som kallas KvarkGluon Plasma (QGP). Plasmat expanderar, svalnar av och omvandlas slutligen till vanlig materia. De
tusentals partiklar som produceras kommer att registreras i ALICE med hjälp av olika detektorer, såsom
prototypen på bilden nedan. Spåren efter partiklarna bestäms och kollisionerna rekonstrueras med
kraftfulla datorer. Figuren till höger visar en simulering av sådana spår. En stor utmaning ligger
sedan i att förstå egenskaperna hos QGP genom att studera de olika partiklarna som träffar
detektorerna.
ϒ
... ge resultat ...
Antal event
… som kan registreras av
detektorerna i ALICE …
J/ψ
103
ϒ′
102
0
5
Massa
... analyseras ...
10
15
(GeV/c2)
Analysen av olika signaler – QGP-kännetecken – ger fysiker möjligheten att studera denna
materieforms egenskaper, såsom tryck, temperatur och tidsförlopp, för att på så sätt kunna
rekonstruera hur kollisionen utvecklats, vilket visas ovan. Som exempel förväntas
produktionen av partiklar, som J/ψ och ϒ, bestående av tunga kvarkar, att påverkas i ett hett
och kompakt QGP, på ett annorlunda sätt än i normal kall materia. De smala topparna som
syns i diagrammet nertill kommer därför att modifieras.
