Srážky ultrarelativistických iontů

STAR (Solenoidal Tracker At RHIC)

STAR je multifunkční experiment s velkou akceptancí umožňující širokou řadu unikátních měření přispívajících k celkovému porozumění procesům, ke kterým dochází ve srážkách 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).

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.

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.

Údržba detektoru ZDC experimentu STAR v BNL

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.

Ph.D. studenti:

Ing. Jitka Mrázková
Ing. Monika Robotková
Ing. Michal Svoboda

Kontaktní osoba:

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

ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

ALICE je jedním ze čtyř velkých experimentů pracujících na urychlovači LHC v CERN a zároveň jediným LHC experimentem, zcela zaměřeným na výzkum 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 kvarkového-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.

Schematický pohled na experiment ALICE v laboratoři CERN

V rámci spolupráce na experimentu ALICE jsme již od samého počátku zapojeni do projektu vnitřního dráhového detektoru ITS (Inner Tracking System). Jedná se o detektor, který je k svazkům LHC nejblíže.  Detektor ITS byl v roce 2022 zcela obměněn a v současnosti je tvořen sedmi vrstvami monolitických aktivních pixelových senzorů.  Tento nový ITS detektor umožňuje provádět mj. velmi přesná měření částic obsahujících kvarky c a b.  V současné době se připravuje další inovace prvních tří vrstev detektoru ITS, kde bude poprvé na světě použita unikátní technologie založená na velkoplošných křemíkových senzorech, které budou ohnuté. Tím získají na samonosnosti a sníží se potřeba dodatečného materiálu v okolí místa křížení svazků LHC.   V našem ústavu používáme protonový svazek z cyklotronu U-120M k testování radiační odolnosti různých elektronických součástí tohoto detektoru. Podílíme se také na analýze radiačních testů prováděných v jiných laboratořích zapojených do projektu ITS.

Ozařování křemíkového čipu ALPIDE na cyklotronu U-120M

Detektor 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 umožní mj. velmi přesná měření částic, obsahujících tzv. těžký kvark. V našem ústavu používáme protonový svazek z cyklotronu 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.

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. Využíváme k tomu výpočetní servery instalované ve výpočetním centru ve Fyzikálním ústavu AV ČR, které patří do LCG, a úložné kapacity umístěné v budově OFTI v Řeži.

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.
doc. RNDr. Jana Bielčíková, Ph.D.
Svetlana Kushpil CSc.

Postdoktorand:

Mgr. Artem Kotliarov, Ph.D.

Ph.D. studenti:

Ing. Ekaterina Grecká

Diplomanti:

Bc. Vojtěch Macháček

Kontaktní osoba:

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