Magyar kutatók is jelentősen hozzájárultak a CERN áttörést jelentő, új fejlesztéséhez

Nincsen túlélhető és fenntartható jövőnk tudomány nélkül, ahogy nekünk sincsen nélkületek. Támogasd a Qubit munkáját!

Augusztus 14-én került a helyére a mintegy 5 méter átmérőjű, 5 méter hosszú hengeres óriásdetektor egyik legfontosabb eleme a Nagy Hadronütköztető (LHC) ütközési pontjában, 56 méterrel a föld alatt, az ALICE kísérlet földalatti mérőhelyén. Az ALICE Időprojekciós Kamrája több év fejlesztés után, ezzel a művelettel vált a világ legnagyobb térfogatú, 88 m3-es GEM (gázelektron-sokszorozó) alapú TPC (Time Projection Chamber) detektorává.

„A 2015 óta épített, új elvek alapján fejlesztett detektor az 1995 táján tervezett előző változatot váltotta le az ALICE hatalmas központi elektromágnesében. Ebben a K+F munkában jelentős feladatot vállalt a Wigner Fizikai Kutatóközpont” – idézi a Wigner szerdai közleménye Barnaföldi Gergely Gábort, a Magyar ALICE Csoport vezetőjét.

Az ALICE TPC egy részecske-nyomkövető detektor, amely a Nagy Hadronütköztető nehézion-fizikai kutatásait segíti. A célja nem kevesebb, mint hogy a világegyetem születése utáni pillanatokban keletkezett anyag, a kvark-gluon plazma (Quark-Gluon Plasma – QGP) halmazállapot tulajdonságait kutassa.

Az ALICE detektorFotó: CERN

Az óriásdetektor szerkezetét úgy kell elképzelni, mint egy nagy, argon-szén-dioxid gázkeverékkel töltött hengert, egy „kisembernyi” lyukkal a közepén. Ebben a belső üregben helyezkedik el a szilícium lapkákból álló nyomkövető, valamint legbelül a berillium nyalábcső, amiben az ütközések történnek. Az ütközési pontban keletkezett relativisztikus töltött részecskék a TPC belsejében ionizálják a gázkeverék atomjait, amelyek azután az erős elektromos tér hatására elrepülnek a kamra hengerének két végében elhelyezett, tortaszelet alakú kamrákhoz.

Mi a GEM, és mire jó?

Ezek a detektorok a TPC korábbi változatában úgynevezett sokszálas proporcionális kamrákból (Multiwire Proportional Chamber – MWPC) épültek fel, amelyek összesen 72 részből álltak. Az ALICE TPC továbbfejlesztése során most ezeket a „tortaszeleteket” új, a gázelektron-sokszorozó (Gas Electron Multiplier – GEM) technológián alapuló elemek váltották fel. 

A GEM technológia fontos eleme a mikrostruktúrás detektorfejlesztésnek, amelyeket a CERN az RD51 együttműködés keretében tökéletesített. Ebben a munkában vett részt a Wigner kutatóközpont Varga Dezső vezetésével működő Innovatív Gázdetektorok Lendület kutatócsoportja is.

A GEM technológia újdonsága, hogy lehetővé teszi a folytonos adatkiolvasást a detektorból, így a másodpercenkénti 50 ezer ólom-ólom ütközés mindegyikében keletkező több tízezer részecskepálya szinte mindegyikét rögzíteni lehet az új, akár 4 TB/s sebességű kiolvasórendszernek köszönhetően. 

Több év fejlesztés után a föld alá

De vajon valóban működik ez, és tudnak-e a GEM-eszközök olyan jól teljesíteni, mint MWPC-alapú elődjeik? Ahhoz, hogy ezt a kérdést megválaszolhassák a tudósok, évekig tartó intenzív kutatásra és fejlesztésre volt szükség. A fő kihívást az okozza, hogy a sorozatos, egymást követő ütközésekben a detektort kitöltő gázkeverék ionizációja során rengeteg pozitív ion is keletkezik, amelyek a meghatározandó részecskepályák torzulását okozzák. A pontos részecskeazonosításhoz szükséges a részecskék energiavesztésének precíz meghatározása, ami izgalmas kihívás az új típusú GEM alapú konfiguráció számára.

„Az elmúlt 3 évben a CERN műhelyében több mint 800 GEM fóliát készítettek el, miközben az új kamrák és elektronikák elkészítése és tesztelése is folyt szerte a világban. A részegységek összeépítése meglehetősen komoly logisztikai feladat – mondja Barnaföldi –, különösen, hogy három kontinensen folytak párhuzamosan a fejlesztések. Az ALICE TPC csapat együttesen dolgozott a fejlesztés utolsó lépésein, amelyeket a COVID-19 járvány kitörése mellett is képesek voltak sikeresen lezárni.”

A CERN gyorsító komplexumának második hosszú leállása (Long Shutdown 2 – LS2) során először kiemelték a TPC modulját a földalatti csarnokból, majd a felszínen a keretével együtt áttették egy a feladat végrehajtására épített tisztaszobába. Darukkal, emelőkkel és speciális kamionnal volt csak megoldható a biztonságos szállítás. Több mint egy évbe telt a kamrák kicserélése, az elektronikák installálása és a komplex tesztelések végrehajtása (ez utóbbit lézerekkel, kozmikus sugárzással és röntgensugárzással végezték). 2020 júliusában a TPC készen állt arra, hogy visszahelyezzék a föld alá. Ekkor jöhettek ismét a daruk, emelők és a speciális kamion.

Viszik a detektortFotó: CERN

Magyar részvétel

A Magyar ALICE Csoport szerepvállalása igen jelentős volt ebben a projektben, hiszen az OTKA által támogatott kutatások és fejlesztések egy része a Wigner Fizikai Kutatóközpontban zajlott. Heti rendszerességgel érkeztek a GEM fóliák, amelyek tesztje éjjel-nappal folyt az intézet speciálisan erre a célra kialakított tiszta helyiségében, több speciálisan kifejlesztett automatikus szkenner segítségével. 

Az elkészült TPC detektor

A 800 fólia mintegy felének minőség-ellenőrzését Csillebércen, a többit Helsinkiben végezték. A tesztelt fóliákat masszív keretre ragasztották, majd ezekből építették össze a 72 új GEM-es kamrát az USA és Európa több intézetében. Ezeket aztán külön-külön is tesztelték a CERN-ben egy nagyenergiás röntgenforrással. Ez utóbbi tesztekben szintén részt vettek a wigneres kutatók, valamint segítettek a kamrák hőmérsékleti szenzorainak és az egyéb elektronikáknak az installálásában, kábelezésében, földelésében. A magyar csoport az összeszerelést követően a helyszíni röntgen- és kozmikus tesztekben is részt vett, majd amikor a koronavírus-válság beállt, regénybe illő, kalandos hazaút után, itthonról, távmunkában végezték a méréseket, és a detektorok tesztelését. A Magyar ALICE Csoport TPC-fejlesztésben részt vevő meghatározó tagjai: Barnaföldi Gergely Gábor csoportvezető, Boldizsár László, Futó Endre, Gera Ádám, Hamar Gergő, Varga Dezső, valamint Vargyas Márton. 

2020 végére a teljes TPC-t bekötik az ALICE központi elektromos, gáz- és vezérlő rendszerébe. A végső globális kozmikus tesztek még hátra vannak, utána viszont már csak annyi marad, hogy a készítők együtt izguljanak az LHC gyorsított részecskenyalábjainak felélesztésekor az új mérések sikeres elindulásáért.

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: