Tadeusz LESIAK, Agnieszka ZALEWSKA i Krzysztof DOROBA

 

 

EKSPERYMENT DELPHI PRZY ZDERZACZU LEP

 

 

Geneza i historia budowy zderzacza LEP

 

Lata sześćdziesiąte i początek siedemdziesiątych minionego wieku przyniosły sformułowanie jednej z przełomowych idei w fizyce cząstek elementarnych: unifikacji oddziaływań elektromagnetycznych i słabych. Według tej teorii, obie wyżej wspomniane siły przyrody, sprowadzają się do jednego „elektrosłabego” oddziaływania przy dostatecznie dużej skali energii. Idea ta niemal natychmiast uzyskała pierwsze, niezwykle ważne, potwierdzenie doświadczalne w 1973 roku poprzez rejestrację w Europejskim Laboratorium Fizyki Cząstek CERN pod Genewą tzw. prądów neutralnych związanych z wymianą neutralnego bozonu pośredniczącego Z. Cząstka ta, wraz ze swoim naładowanym partnerem bozonem W, zostały bezpośrednio zaobserwowane w roku 1983, też w CERN-ie. W ten sposób teoria elektrosłaba przeszła pomyślnie pierwsze, zasadnicze testy doświadczalne. Kolejnym zadaniem eksperymentatorów stało się sprawdzenie jej przewidywań w sposób bardziej precyzyjny, tzn. z co najmniej procentową dokładnością. Najlepszym środkiem do tego celu było zbudowanie zderzacza elektronów i pozytonów, pracującego przy energii zderzeń odpowiadającej masie bozonu Z, tj. około 91 GeV. W takim urządzeniu  zjawiska przewidywane przez teorię elektrosłabą powinny być obserwowane stosunkowo łatwo i często. W ten sposób, jeszcze w latach siedemdziesiątych XX-go stulecia, w CERN-ie narodziła się idea budowy nowego, wielkiego zderzacza LEP (Large Electron Positron Collider).

 

Rys. 1.Przekrój ukazujący położenie zderzacza LEP oraz jego czterech detektorów.

 

Budowa LEP okazała się nie lada wyzwaniem technologicznym, choćby ze względu na konieczność wydrążenia w niełatwym geologicznie podłożu, na głębokości wynoszącej średnio 100 metrów pod ziemią, tunelu akceleratora o obwodzie 27 kilometrów i średnicy około 4 metrów. Dodatkowo, w czterech miejscach na obwodzie akceleratora wydrążono duże hale eksperymentalne oraz pionowe szyby do transportu aparatury i personelu.  Wymagało to usunięcia łącznie około 1.4 miliona metrów sześciennych ziemi i skał. Projekt zderzacza został formalnie zatwierdzony w roku 1981, a dwa lata później rozpoczęto pierwsze prace. Obie wiązki prowadzone były we wspólnej komorze próżniowej wzdłuż trajektorii kształtowanych przez kilka tysięcy magnesów. Przyspieszanie cząstek odbywało się poprzez przekaz energii od pola elektrycznego wewnątrz 128 wnęk rezonansowych. 14. lipca 1989, w dniu święta narodowego Francji, celebrowano uroczyste otwarcie LEP. W sierpniu tegoż roku rozpoczęto rejestrację zderzeń elektronów i pozytonów w czterech wielkich detektorach, nazwanych ALEPH, DELPHI, L3 i OPAL (Rys. 1).  W tych czterech miejscach, wewnątrz rury próżniowej wiązki elektronów i pozytonów były dodatkowo skupiane i naprowadzane na siebie, aby mogło dojść do oddziaływań cząstek.

 

 

 

Eksperyment i detektor DELPHI

 

Początki eksperymentu DELPHI, do którego włączyły się polskie grupy z Krakowa i z Warszawy, sięgają 1980 roku, kiedy w CERN-ie wokół profesora U.Amaldiego zaczęła powstawać grupa, roboczo nazwana COLLEPS.  Był to jeden z kilku zespołów, które na początku 1982 roku złożyły listy intencyjne z propozycją eksperymentu przy zderzaczu LEP. „Nasz” list został zaakceptowany do dalszego opracowania.  Dokument, przedstawiający program fizyczny eksperymentu oraz projekt techniczny detektora dla jego realizacji, złożony został w CERN-ie w 1983 roku.  Współpraca zdecydowała też o nazwie i logo eksperymentu.  Nazwa DELPHI była skrótem od DEtector with Lepton  Photon and Hadron Identification, a logo, nawiązujące do nazwy i do bozonu , przedstawiało delfina przeskakującego przez obręcz.  Wobec długości obwodu akceleratora wynoszącej 27 km,  dojazd do eksperymentu mógł był łatwiejszy lub trudniejszy w zależności od tego, jak daleko od głównego laboratorium znajdował się punkt przecięcia wiązek, w którym eksperyment miał być prowadzony. Dość szybko zdecydowano o lokalizacji eksperymentów L3 i OPAL; natomiast  wybór miejsca dla aparatury ALEPH i DELPHI był  trudniejszy.  Z pozostałych dwu punktów przecięcia wiązek jeden był wyraźnie gorzej położony niż drugi. Dlatego też, żadna z grup nie chciała dobrowolnie wybrać gorszej lokalizacji i zdecydował ślepy los. Ówczesny dyrektor CERN-u, H.Schopper, rzucił monetą i grupie DELPHI dostał się łatwo dostępny punkt przecięcia wiązek w Ferney-Voltaire, a fizycy z  eksperymentu ALEPH musieli latami jeździć do odległego miejsca w okolice miasteczka Gex.

 

Spektrometry eksperymentów LEP-owskich były o wiele większe i bardziej złożone niż aparatura pomiarowa wcześniejszych eksperymentów przy akceleratorach. Typowe rozmiary każdego z nich to 10x10x10 metrów sześciennych, co odpowiada mniej więcej wielkości trzypiętrowego budynku (Rys. 2).  Koszty budowy każdego z czterech detektorów wahały się w okolicy 100 milionów franków szwajcarskich, a w budowę zaangażowanych było po kilkuset fizyków, inżynierów i techników.  Miały one kształt walca utworzonego ze współosiowych warstw o podobnej długości kątowej, który z dwu stron zamykały również warstwowo zbudowane pokrywy.  Część centralną często nazywano beczką.  Każda warstwa detekcyjna miała inne zadanie i typowo w skład spektrometrów LEP-owskich wchodziło kilkanaście detekcyjnych podzespołów.  Wszystkie cztery spektrometry wyposażone były w różnego typu detektory gazowe do rejestracji torów cząstek, w kalorymetry elektromagnetyczne i hadronowe do pomiaru ich energii oraz w solenoidalne cewki wytwarzające pole magnetyczne, służące wyznaczeniu pędu cząstek poprzez pomiar zakrzywienia ich torów. 

 

Cewka eksperymentu DELPHI zasługuje na specjalną wzmiankę, gdyż w momencie konstrukcji była największą cewką nadprzewodzącą, jaką kiedykolwiek zbudowano.  Jej budowy podjęło się laboratorium  im. Rutherforda w okolicach Oxfordu w Wielkiej Brytanii.  Transport gotowej już cewki do CERN-u to była prawdziwa odyseja.  Z zapartym tchem oglądaliśmy film, który pokazywał przejazd cewki przez Anglię drogami tak wybranymi, aby nie trzeba było rozbierać wiaduktów, jej podróż barką po Renie i ostatni odcinek trasy ośnieżoną już drogą przez przełęcz Col de la Faucille w Jurze, która została na ten czas zamknięta dla normalnego ruchu.

 

Rys. 2.  Podziemna hala eksperymentu DELPHI. Na pierwszym planie widoczny jest  barak z elektroniką.

 

Aparatura eksperymentów ALEPH i OPAL  prawie całkowicie bazowała na sprawdzonych, wielokrotnie wcześniej wykorzystywanych typach detektorów, podczas gdy zespoły L3, a przede wszystkich DELPHI, od początku postawiły też na detektorowe "nowinki".  Cechą charakterystyczną detektora DELPHI miała być wydajna identyfikacja wszystkich typów cząstek powstających w zderzeniach e+e-, co znalazło odbicie w nazwie eksperymentu.  Trudne zadanie rozróżniania hadronów, przede wszystkim mezonów p i K oraz protonów, pełnił detektor RICH (Ring Imaging Cherenkov), po raz pierwszy zastosowany w skali wielkiego eksperymentu.  Identyfikację niezmiernie interesujących, a słabo wówczas zbadanych cząstek, zawierających kwark b istotnie poprawił krzemowy detektor wierzchołka.  Eksperyment DELPHI wyposażony też został w bardzo oryginalny kalorymetr elektromagnetyczny, jakim był detektor HPC (High Density Projection Chamber). Poza typowym zadaniem pomiaru energii fotonów i elektronów pomagał on znacznie w identyfikacji mezonów p0, przyczyniając się tym samym do znakomitych wyników DELPHI z dziedziny spektroskopii cząstek zawierających kwark b. Ze względu na fakt, że te trzy detektory były nie tylko nowatorskie i ciekawe, ale na dodatek w ich budowie i obsłudze uczestniczyły polskie grupy, zostaną teraz nieco dokładniej omówione.

 

Detektory RICH  znajdowały się zarówno w centralnej części spektrometru DELPHI, jak i w pokrywach.  Ich zadaniem był pomiar kąta emisji promieniowania Czerenkowa, powstającego wtedy, gdy prędkość cząstki przekracza prędkość światła w danym ośrodku. Kąt emisji promieniowania stanowił miarę prędkości cząstki. W spektrometrze przy akceleratorze przeciwbieżnych wiązek nie ma miejsca na detektor o dużej grubości, więc liczba emitowanych fotonów Czerenkowa jest stosunkowo niewielka i należało sprostać nie lada wyzwaniu, polegającemu na wydajnej rejestracji pojedynczych fotonów.    Nie dość, ze się to udało, to jeszcze na grubości 50 cm znalazły się dwa różne radiatory, ciekły i gazowy oraz umieszczone pośrodku dryfowe komory odczytu.  Dzięki sprytnemu pomysłowi zastosowania luster odbijających fotony powstałe w gazowym radiatorze, te same komory służyły do rejestracji fotonów  z obu radiatorów.  To złożone, prekursorskie przedsięwzięcie zakończone zostało w 1993 roku, kiedy zamontowano ostatnie elementy systemu RICH w pokrywach spektrometru DELPHI.  Wysiłek opłacił się, gdyż wydajna identyfikacja pionów, kaonów i protonów w szerokim zakresie ich pędów przyczyniła się walnie do znakomitych wyników eksperymentu DELPHI w dziedzinie badania cząstek zawierających ciężkie kwarki c i b.  Nie mówiąc o tym, że obecnie detektory RICH stały się standardowym wyposażeniem eksperymentów dla tego rodzaju badań.

 

Wielkim sukcesem okazał się też krzemowy detektor wierzchołka. Aby można było takie urządzenie zainstalować w eksperymencie przy akceleratorze wiązek przeciwbieżnych, należało rozwiązać szereg problemów technicznych. Najważniejszym z nich była miniaturyzacja elektroniki odczytu.  Pierwsze "kości" z elektroniką VLSI do odczytu detektorów krzemowych zaprojektowane zostały we współpracy B.Hyamsa i P.Weilhammera z amerykańskimi fizykami budującymi krzemowy detektor wierzchołka dla eksperymentu Mark II.  Detektor wierzchołka DELPHI, który początkowo zbudowany był z dwu warstw (o promieniach 9 i 11 cm) jednostronnych detektorów paskowych, podlegał ciągłej rozbudowie. Najpierw zyskał trzecia warstwę (o promieniu 6.3 cm), następnie część detektorów jednostronnych podmieniona została na dwustronne detektory paskowe, wszystkie trzy warstwy zostały wydłużone, dając pokrycie większego obszaru kątowego. W końcu dodane zostały krzemowe pokrywy zbudowane z detektorów paskowych oraz nowatorskich wówczas krzemowych detektorów mozaikowych. Od momentu ukończenia w 1997 roku do chwili zamknięcia LEP-u w 2000 roku był to największy na świecie krzemowy detektor śladowy (Rys. 3).  Warto dodać, że DELPHI, jako pierwszy eksperyment LEP-owski, wykorzystał dane z detektora wierzchołka w pomiarze średniego czasu życia hadronów z kwarkiem b, jaki wszystkie cztery eksperymenty przeprowadziły w oparciu o dane zebrane w 1990 roku.  Kolejnym eksperymentem ze sprawnie działającym detektorem krzemowym był ALEPH, a następnie dołączyły OPAL i L3.  Obecnie trudno sobie wyobrazić akceleratorowy eksperyment bez detektorów krzemowych do pomiaru torów cząstek.

Rys.3. Krzemowy detektor wierzchołka DELPHI.

 

Kalorymetr elektromagnetyczny HPC był pierwszym, w którym na dużą skalę zastosowano ideę projekcji czasowej w kalorymetrii.   HPC składał się z 144 niezależnych modułów, z których każdy zbudowany był z 41 warstw ołowiu rozdzielonych warstwami gazu o grubości 8 mm.  Konwerter ołowiany wykorzystywany był do formowania pola elektrostatycznego, pod wpływem którego elektrony jonizacji dryfowały w gazie w kierunku komory proporcjonalnej, umieszczonej na końcu każdego modułu.  Warstwy ołowiane uformowane były z drutów o trapezoidalnym przekroju, naklejonych dwustronnie na cienki podkład z żywicy epoksydowej wzmocnionej włóknem szklanym.  W jednym z kanałów dryfu każdego modułu zamiast gazu znajdowały się scyntylatory, aby szybko uzyskać informację o przejściu cząstek przez kalorymetr.  Sygnał z tych scyntylatorów wykorzystywany był w systemie wyzwalania eksperymentu DELPHI.

 

Po zakończeniu etapu budowy i instalacji aparatury w 1989 roku nastąpił 12-letni okres zbierania danych i prowadzenia eksperymentu.  Przez cały ten czas polscy uczestnicy eksperymentu pracowali podczas zbierania danych na "szychtach", odpowiadając za bezpieczeństwo całego detektora DELPHI, bezawaryjną pracę systemu zbierania danych, ekspercką obsługę detektorów: wierzchołka, wewnętrznego, RICH i HPC oraz kontrolując jakość zebranych danych.  Niezapomniany pozostanie widok Mont Blanc o świcie, gdy zwalczając senność wychodziło się na zewnątrz odetchnąć świeżym powietrzem. 

 

Początkowo komputery MicroVax, na których bazował system zbierania danych i kontroli DELPHI, umieszczone były w jednym z baraków elektroniki tuż przy spektrometrze.  Trudno opisać panujące tam warunki, kiedy tłumek fizyków siedział sobie wzajemnie na głowie, a każdy przekonany był, ze to jego detektor jest tym najważniejszym na świecie.  Do tego dochodził szum komputerów i elektroniki.  Po kilkunastu godzinach pracy wyjeżdżało się na powierzchnię z niezłym bólem głowy.  Względnie szybko nastąpiła ogromna poprawa, gdy pokój kontrolny przeniesiony został na powierzchnię ziemi, a dane ze spektrometru docierały światłowodami do umieszczonych w nim stacji Vax.  Na dodatek, zostały one włączone w ogólną CERN-owską sieć komputerową i kontrolę pracy detektora można było prowadzić ze swego pokoju na terenie głównego laboratorium.  Ba, to przecież w CERN-ie, głównie na użytek eksperymentów LEP-owskich, powstał program WWW, więc jeszcze chwila i przebieg zbierania danych można było śledzić zza biurka w Krakowie.  Mieliśmy szczęście, że ta rewolucja informatyczna nastąpiła w chwili, kiedy rozpadła się "żelazna kurtyna".  Bez tego pozostalibyśmy w tyle...

 

W 2000 roku LEP z jego detektorami zakończył pracę.  Ponieważ w podziemnej hali eksperymentu DELPHI zainstalowany zostanie względnie mały detektor eksperymentu LHCb, w CERN-ie zapadła decyzja, aby część hali zamienić w muzeum i pozostawić w nim centralną część oraz jedną z pokryw detektora DELPHI. Obecnie ekspozycja DELPHI jest już gotowa i jesienią 2004 roku obejrzą ją pierwsze grupy zwiedzających. Gdyby moneta dyrektora Schoppera spadła na biurko drugą stroną, to zapewne dzisiaj pokazywany byłby turystom detektor eksperymentu ALEPH.  Moneta była więc podwójnie szczęśliwa.

 

 

Najważniejsze wyniki fizyczne  DELPHI

 

Już pierwsze tygodnie zbierania danych pozwoliły na uzyskanie wyników fizycznych, które niejednokrotnie w sposób jakościowy poprawiały stan wiedzy doświadczalnej o teorii elektrosłabej. Należy tu wspomnieć w pierwszym rzędzie pomiary parametrów krzywej rezonansowej bozonu Z. Umożliwiły one w szczególności ostateczne stwierdzenie istnienia trzech rodzin leptonowo-kwarkowych.

 

W latach 1989-95 zderzacz LEP pracował niezwykle wydajnie przy energiach odpowiadających masie bozonu Z (tzw. okres LEP1). Każdy z czterech wielkich detektorów zarejestrował w tym czasie około pięć milionów zderzeń odpowiadających rozpadowi bozonu Z. Dzięki niezwykle sprawnej pracy zderzacza oraz detektorów, a także wielkiemu wysiłkowi naukowców zaangażowanych w analizę zebranych danych, etap LEP1 okazał się wielkim sukcesem. Przewidywania teorii elektrosłabej zostały doświadczalnie potwierdzone z dokładnością niejednokrotnie sięgającą jednego promila. Dla niemal wszystkich mierzonych parametrów osiągnięto dokładność znacznie przekraczającą projektowe przewidywania, nawet te uważane za najbardziej optymistyczne. Dla przykładu, masa bozonu Z przed rokiem 1989 była wyznaczona jako 90.9+-0.3 GeV/c, a pomiary LEP1 dały w tym przypadku wynik 91.1871+-0.0021. Dla wspomnianej wyżej liczby rodzin leptonowo-kwarkowych pomiary poprawiono z 2.1+0.6-0.4 na 2.984+-0.008. Ta wielka precyzja pomiarów sprawiła, że otrzymane wyniki stały się czułe na niewielkie poprawki związane z obecnością dotychczas nie odkrytych cząstek jak choćby kwark t oraz bozon Higgsa. Można by tu przywołać analogię do odkrywania kolejnych planet Układu Słonecznego w oparciu o coraz dokładniejsze badania zaburzeń orbit planet już znanych. W szczególności, wyniki LEP1 umożliwiły oszacowanie masy kwarku t. Cząstka ta została następnie odkryta w roku 1995 w ośrodku FERMILAB w Stanach Zjednoczonych. Jej masa okazała się doskonale zgodna z pośrednimi oszacowaniami pochodzącymi z  LEP. Na sukces badań LEP1 złożyło się również niezwykle staranne wyznaczanie energii zderzeń elektron-pozyton. Okazało się bowiem, że podlega ona całemu szeregowi systematycznych zaburzeń. Najsilniejsze z nich spowodowane były ruchami skorupy ziemskiej wywoływanymi przez przyciąganie Księżyca. Zjawisko to powodowało deformację promienia LEP rzędu 1mm (wobec obwodu 27km!), wpływając tym samym znacząco na wielkość energii zderzeń. Zaobserwowano także, że ta ostatnia wielkość podlega zmianom wraz z podnoszeniem się i opadaniem poziomu wód pobliskiego jeziora Genewskiego,  a nawet, że zależy ona od rozkładu jazdy szybkich pociągów francuskich TGV. Ten ostatni efekt był związany  z prądami błądzącymi, które od szyn kolejowych  przedostawały się aż 100m pod Ziemię, zaburzając pracę części magnesów LEP.

 

Poczynając od jesieni 1995 roku, aż do końca roku 2000, energię zderzeń LEP systematycznie podwyższano poprzez instalowanie wewnątrz pierścienia zderzacza dodatkowych, nadprzewodzących wnęk rezonansowych. Celem drugiej fazy projektu (LEP2) było przede wszystkim dalsze sprawdzenie przewidywań teorii elektrosłabej w dotychczas nie zbadanym zakresie energii, w którym w anihilacji elektron-pozyton mogą tworzyć się parami bozony W i Z. Szczególne znaczenie miało przy tym precyzyjne wyznaczenie masy cząstki W (80.142+-0.042) GeV/c. Także i w tym przypadku, udało się osiągnąć dokładność przekraczającą projektowe założenia. Jednocześnie, pracując w dziewiczym obszarze energii zderzeń,  prowadzono intensywne poszukiwania nowych cząstek. Dotyczyło to przede wszystkim bozonu  Higgsa – ostatniej brakującej cegiełki teorii elektrosłabej. Poszukiwania te w końcowej fazie stały się dramatyczne. W 2000 roku, tj. w ostatnich miesiącach pracy LEP, podczas pracy przy najwyższych energiach zderzeń (nawet 209 GeV w układzie środka masy) detektory LEP zarejestrowały bowiem kilka intrygujących zdarzeń. Mogły być one z wysokim prawdopodobieństwem interpretowane jako przypadki z udziałem rozpadu bozonu Higgsa. Ich statystyczna znaczącość okazała się jednak zbyt niska, aby niezbicie potwierdzić odkrycie tej, najbardziej poszukiwanej, cząstki. Współprace LEP zakończyły te badania, podając dolne ograniczenie dotyczące masy bozonu Higgsa na poziomie 114 GeV/c. Wyniki tych prac dostarczyły niezwykle ważnych wskazówek dla dalszych poszukiwań tej cząstki za pomocą zderzaczy Tevatron i LHC. Istotna część poszukiwań  nowych cząstek dotyczyła także stanów przewidywanych przez teorie supersymetryczne. Ich masy oszacowano na co najmniej 60-100 GeV/c.

 

Oprócz prac wspomnianych powyżej, współpraca DELPHI prowadziła intensywnie analizy fizyczne dotyczące m.in. sprawdzania przewidywań chromodynamiki kwantowej,  badania pięknych hadronów oraz leptonu , a także fizyki oddziaływań foton-foton. Jak dotąd współpraca DELPHI opublikowała ok. 300 prac naukowych.  Ta ogromna liczba publikacji wyklucza podanie, choćby niepełnej, ich listy w tym artykule. Wiele z prac DELPHI, jak choćby opisane pokrótce powyżej badania sprawdzające przewidywania teorii elektrosłabej [1-2] czy też wyniki poszukiwań nowych cząstek [3], wniosły niezwykle istotny wkład do fizyki cząstek elementarnych, osiągając bardzo wysoką liczbę cytowań.

 

 

Udział Polaków w budowie detektora i prowadzeniu eksperymentu

 

Wśród fizyków inicjujących eksperyment DELPHI w 1980 roku znaleźli się B.Hyams i P.Weilhammer, od lat współpracujący z krakowskimi fizykami w ramach eksperymentów prowadzonych przy akceleratorach PS i SPS.  Zaproponowali oni M.Turale włączenie się fizyków krakowskich do właśnie tworzącej się współpracy.  Jesienią 1980 roku odbyło się w tej sprawie zebranie zespołu kierowanego przez ś.p. K.Rybickiego i powstał zalążek krakowskiej grupy złożony z Z.Hajduka, G.Poloka, K.Rybickiego, M.Turały i A.Zalewskiej.  K.Rybicki był pierwszym koordynatorem tej grupy. 

 

Ponieważ B.Hyams i P.Weilhammer zaangażowani byli w projekt krzemowego detektora wierzchołka, więc fizycy z Krakowa od początku włączyli się w te prace.  Obejmowały one udział w projekcie detektora, jego montażu i obsłudze (P.Brückman, A.Czermak, K.Gałuszka, P.Jałocha, P.Kapusta, W.Krupiński, W.Kucewicz, J.Michałowski, H.Pałka, M.Turała, A.Zalewska), jak też zbudowanie wszystkich zasilaczy (T.Gdański) oraz systemu chłodzenia docelowego detektora (K.Gałuszka, A.Zalewska). Programy symulacji, rekonstrukcji, wizualizacji, pozycjonowania i analizy danych napisane były z dużym wkładem Krakowa (P.Brückman, A.Zalewska), a program P.Jałochy do analizy i redukcji danych w czasie rzeczywistym wykorzystany był nawet przez inne eksperymenty LEP-owskie.  W 1989 roku w Krakowie odbyło się kilkudniowe robocze spotkanie, dotyczące rozbudowy detektora wierzchołka.  Uczestniczyło w nim około 40 osób.

 

Z kolei doświadczenie grupy krakowskiej w budowie detektorów gazowych spowodowało, że powierzono jej (wspólnie z grupą z Amsterdamu) budowę warstw trygerowych tzw. detektora wewnętrznego, bazującego na gazowych komorach dryfowych.  Prace prototypowe nad  rozwojem technologii budowy tego detektora (opracowanie bardzo lekkich cylindrów dużej średnicy, wykorzystujących pianki poliuretanowe i włókna kewlarowe) rozpoczęły się pod nadzorem W. Janczura i M. Turały jeszcze przed zatwierdzeniem projektu DELPHI, tak, że U. Amaldi i B. Diddens ( przewodniczący rady współpracy) zauważyli w trakcie swojej wizyty w Krakowie wiosną 1982, iż "pierwszy prototyp detektora DELPHI został wykonany w Krakowie". Późniejsza budowa i przebudowa tego detektora odbyły się z pokaźnym udziałem krakowskim, w szczególności Z. Hajduka i J. Michałowskiego. Detektor centralny był częścią systemu wstępnej selekcji przypadków, w czym uczestniczył aktywnie K. Korcyl.

M. Witek współtworzył oprogramowanie tego detektora.

 

Grupa krakowska miała też duży wkład w projekt i budowę detektorów RICH.  Technika detektorów RICH, wykorzystujących detektory gazowe dla detekcji fotonów, była bliska doświadczeniom grupy krakowskiej i kontakty z grupą T. Ekeloffa i T. Ypsilantisa zaczęły się jeszcze w czerwcu 1980 r., w Uppsali, w trakcie konferencji poświeconej LEP. W Krakowie, pod kierownictwem W. Dulińskiego, były opracowywane nowe konstrukcje detektora fotonów. Przez kilka lat inżynierowie i technicy krakowscy brali udział w produkcji kwarcowych "rur dryfowych" w CERN-ie. W Krakowie, pod kierownictwem J. Michałowskiego, została zbudowana pokaźna część detektorów fotonów, a także konstrukcja nośna oraz pojemniki dla detektorów RICH wykorzystujące kompozyty węglowe i kewlarowe - za te projekty był odpowiedzialny K. Pakoński, późniejszy wiceprezydent Krakowa. W tworzeniu oprogramowania tego detektora uczestniczył G. Polok.

 

Grupa warszawska w składzie K.Doroba, R.Gokieli, M.Górski, T.Hofmokl, J.Królikowski, A.Lipniacka, R.Sosnowski, M.Szczekowski, M.Szeptycka, P.Szymański i P.Zalewski włączyła się trochę później do eksperymentu DELPHI, ale i w tym przypadku zadziałały przyjaźnie nawiązane podczas wcześniejszej, udanej współpracy.  Pomysłodawcą kalorymetru HPC był G. Fisher i to on namówił swoich warszawskich kolegów na włączenie się do prac przy budowie tego detektora.  W Warszawie powstało ok. 30% elementów konwerterów  HPC, co przy tak dużym detektorze było niemałym przedsięwzięciem.  Dziełem grupy warszawskiej było opracowanie, przetestowanie i wykonanie serii 500 liczników scyntylacyjnych z odczytem na włóknach optycznych.  Liczniki włączone w układ wyzwalający DELPHI dawały sygnały przejścia oddziałującej elektromagnetycznie cząstki przez kalorymetr. Grupa warszawska była następnie przez całe lata odpowiedzialna za obsługę detektora HPC i tego systemu.  

 

Niezmiernie ważną rzeczą w dużym eksperymencie jest dobra organizacja obliczeń komputerowych, na co składa się koordynacja prac prowadzonych w różnych centrach obliczeniowych, dbanie o odpowiednie narzędzia systemowe i zakupy nowych komputerów oraz zarządzanie czasem komputerów.  Przez wiele lat znakomitym koordynatorem  w tym zakresie był R. Gokieli z grupy warszawskiej. 

 

Prace dla DELPHI były też okazją do współpracy z polskim przemysłem.  Około 2/3 drutu ołowianego użytego do konstrukcji konwerterów HPC pochodziło z Huty Metali Nieżelaznych w Szopienicach.  Za kontakty z hutą odpowiedzialny był ś.p. T.Hofmokl z grupy warszawskiej, a polski ołów był wkładem naszych grup do eksperymentu.  Z kolei konstrukcja nośna detektorów RICH wykonana została we współpracy z zakładami szybowcowymi w Bielsku-Białej.

 

Chociaż większość aparatury DELPHI pozostała na ekspozycji w CERN-ie, połówka detektora RICH z drugiej, zdemontowanej pokrywy detektora trafiła do Krakowa i jest pokazywana w IFJ.  Podobnie, w dowód uznania krakowskiego wkładu do budowy detektora wierzchołka, do IFJ trafiła też połówka pierwszego, historycznego już paskowego detektora krzemowego.

 

Jak już była o tym mowa, niezmiernie ważną sprawą był kontakt z eksperymentem poprzez sieć komputerową. Wszyscy byliśmy więc pod wielkim wrażeniem pierwszego modemu, który pojawił się w IFJ w 1987 roku i który sobie tylko znanymi sposobami „wychodził” na poczcie G. Polok.  Łączność była fatalna, praktycznie tylko późno wieczorem, ale była! W 1990 roku pojawiła się, znów dzięki G. Polokowi, dedykowana linia telefoniczna, obsługująca połączenia fizyków krakowskich i warszawskich z CERN-em.  Nasi obecni doktoranci pewnie byliby bardzo zdziwieni, że coś tak wolnego uważaliśmy za luksus.  Niemniej jednak P.Jałocha mógł już z Krakowa wprowadzać poprawki do swego programu w procesorach opracowujących dane z detektora wierzchołka sto metrów pod ziemią w hali eksperymentalnej DELPHI.

 

 

Polski wkład w fizyczne pomiary DELPHI

 

Znacząca część pracy polskich fizyków należących do współpracy  DELPHI dotyczyła analizy fizycznej zebranych danych doświadczalnych. Jej tematyka zostanie pokrótce przedstawiona oddzielnie dla grup: krakowskiej i warszawskiej.

 

Badania krakowskie, wykorzystujące próbkę danych zebranych w okresie LEP1 były prowadzone w trzech kierunkach. Pierwszym z nich była fizyka barionów pięknych i powabnych. Wybór tej tematyki okazał się niezwykle trafny, ponieważ uzyskane rezultaty pozostają ciągle najbardziej precyzyjnymi wynikami w tej dziedzinie, podczas gdy fizyka ciężkich mezonów w ostatnich latach została zdominowana przez prace z tzw. fabryk B. W szczególności wykonano pomiary częstości produkcji stanów  i , a dla pierwszego z nich także czasu życia i polaryzacji. Drugą dziedzinę badań stanowiły prace dotyczące korelacji Fermi-Diraca i Bose–Einsteina dla par identycznych hadronów. Pozwoliły one na zbadanie zależności rozmiaru obszaru emisji pary identycznych cząstek od masy hadronu. Trzeci kierunek prac dotyczył fizyki oddziaływań foton-foton. W tej dziedzinie wykonano pomiary dotyczące spektroskopii stanu (2980) oraz pomiaru funkcji struktury elektronu.

 

Główne prace fizyków krakowskich, wykorzystujące dane doświadczalne zebrane w okresie LEP2 dotyczyły stanów końcowych zawierających pary i czwórki fermionów. Wykonano m.in. pomiary przekroju czynnego oraz asymetrii przód-tył dla stanów końcowych zawierających pary kwarków pięknych i powabnych, a także pomiary przekrojów czynnych dla produkcji pary bozonów Z  oraz pojedynczych bozonów W i Z  w stanie końcowym. Prowadzono także poszukiwania cząstek supersymetrycznych.

 

Ogółem fizycy krakowscy byli wykonawcami (jednoosobowo lub w kilkuosobowych zespołach) ponad dwudziestu publikacji współpracy DELPHI, przygotowali około 40 przyczynków do najważniejszych konferencji fizyki cząstek elementarnych oraz wygłosili 16 referatów konferencyjnych.

 

 Badania grupy warszawskiej dotyczyły czterech dziedzin. W ramach fizyki kwarku pięknego,  z wykorzystaniem danych zebranych w fazie LEP1, wykonano pierwszy w świecie pomiar czasu życia pięknych barionów używając protonu nie pochodzącego z barionu dziwnego w stanie końcowym oraz uczestniczono w wyznaczeniu tzw. pingwinowego stosunku rozgałęzienia kwarku pięknego na kwark dziwny i gluon. W dziedzinie fizyki oddziaływań foton-foton zbadano ekskluzywną produkcję par pionów i kaonów oraz uczestniczono w pracach dotyczących wyznaczenia funkcji struktury fotonu. Te ostatnie prace są nadal kontynuowane. Ostatnia tematyka dotyczyła poszukiwań bozonu Higgsa. Oprócz brania udziału w wysiłku grupy poszukującej bozonu Higgsa przewidywanego przez teorię elektrosłabą, przeprowadzono siedem analiz dotyczących poszukiwania jej odpowiednika oczekiwanego w modelach rozszerzających teorię  elektrosłabą. Oddzielnie przeanalizowano następujące stany końcowe :  (LEP1),  (LEP1),  (LEP1 orazLEP2),  (LEP2; q oznacza dowolny z kwarków u,  d, s, c) oraz   (LEP2) . Wobec nieznalezienia sygnału, przeprowadzono analizę wynikających z poszukiwań wykluczeń.

 

 

Osiągnięcia zawodowe polskich fizyków w DELPHI

 

Długoletnia, znakomita praca eksperymentu DELPHI wraz ze znaczącym, polskim wkładem w budowę aparatury i analizę fizyczną dały możliwość naukowego rozwoju dla całego pokolenia polskich fizyków i inżynierów.  Być może najlepiej zilustruje to następująca statystyka stopni i tytułów naukowych uzyskanych w Polsce dzięki pracom dotyczącym DELPHI: 31 prac magisterskich, 12 doktorskich,  3 habilitacje (dodatkowo 3 znajdują się w przygotowaniu) oraz dwie osoby otrzymały tytuł profesora. Polscy fizycy cieszyli się także uznaniem w środowisku współpracy.  Wyrazem tego było wybranie dwóch z nich do zarządu eksperymentu (R.Gokieli, A.Zalewska) oraz powierzenie pięciu polskim fizykom funkcji koordynatora grupy zajmującej się wybraną dziedziną analizy fizycznej lub obsługą elementu aparatury (P.Brückman, R.Gokieli, T.Lesiak, M.Turała, A.Zalewska).

 

Polskie grupy miały także przyjemność bycia gospodarzem jednego z dorocznych zebrań całej współpracy DELPHI, odbywających się poza  „macierzystym” CERN-em. Ta mini-konferencja odbyła się w dniach 16-21 września 1999 roku w budynku Wydziału Fizyki i Techniki Jądrowej Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, a głównym organizatorem był H. Pałka, ówczesny koordynator grupy krakowskiej. Zgromadziła ona 141 uczestników (Rys. 4). Spotkanie odbywało się w jednym ze szczytowych okresów opracowywania wyników DELPHI i przedyskutowano na nim bieżące rezultaty analiz danych oraz stan aparatury. Uczestnicy zgodnie podkreślali jego dobrą organizację oraz ciekawy program kulturalny. Obejmował on m.in. zwiedzanie Krakowa oraz Wieliczki. Hitem okazała się całodniowa wycieczka w Pieniny, połączona ze spływem Dunajcem.

 

Należy podkreślić, że niemal wszystkie polskie prace były wykonywane  we współpracy z zagranicznymi grupami pracującymi w naszym eksperymencie. Polscy członkowie DELPHI byli często zapraszani do pracy w zagranicznych ośrodkach przebywając m.in. w CERN (łącznie aż  352 miesiące), INFN Mediolan (48 miesięcy), LAL Orsay (41 miesięcy), INFN Padwa (36 miesięcy), LPNHE Paryż (33 miesiące),  NIKHEF Amsterdam (27 miesięcy), IPNL Lyon (24 miesiące), ISN Grenoble (10 miesięcy), IReS Strasburg (6 miesięcy), CENS Saclay (6 miesięcy) i Uniwersytet w Wuppertalu (6 miesięcy).

 

Rys.4  Uczestnicy zebrania współpracy DELPHI w Krakowie we wrześniu 1999 r.

 

Literatura:

[1] Współpraca DELPHI: ‘Search for the Standard Model Higgs Boson at LEP’, Phys Lett  B565 (2003) (2003) 61.

[2]The LEP Electroweak Working Group: http://lepewwg.web.cern.ch/LEPEWWG/.

[3] Współpraca DELPHI:Searches for supersymmetric particles in e+e- collisions up to 208 GeV and interpretation of the results within the MSSM ‘, Eur Phys J C31 (2003) 421.