Historia

Obecny Zakład Eksperymentu ATLAS powstał w wyniku połączenia Zakładu Eksperymentu ALTLAS i Zakładu Oddziaływań Jądrowych Wysokich Energii. Połączenie obu zakładów nastąpiło 1-go stycznia 2008 r. Poniżej przedstawiona jest krótka historia działalności pracowników naszego zakładu w kluczowych eksperymentach: ATLAS i PHOBOS.

Eksperyment ATLAS

Lata 1980-1990

Jeden z pierwszych warsztatów roboczych nt. akceleratora hadronowego w tunelu LEP w CERN, odbył się w r. 1984 [1]. Kolejne warsztaty robocze, dotyczące programu fizycznego, akceleratora i detektorów, z udziałem fizyków krakowskich, miały miejsce w Barcelonie [2], Aachen [3] i Evian [4].

W r. 1987 rozpoczął się w CERN specjalny program (LAA), oparty o fundusze włoskie, pozwalający na rozpoczęcie prac rozwojowych nad nowymi detektorami dla LHC.

Zainteresowania naszych fizyków i inżynierów rozwojem detektorów dla eksperymentów na akceleratorach o bardzo wysokich energiach, Superconducting Super Collider (SSC) w USA i Large Hadron Collider (LHC) w CERN sięgają końca lat osiemdziesiątych. Prace metodyczne w dziedzinie detektorów półprzewodnikowych i elektroniki odczytu prowadzone były we współpracy z Uniwersytetem Kalifornijskim w Santa Cruz (USA) oraz Wydzialem Fizyki i Techniki Jadrowej AGH w Krakowie.

Lata 1990-1995

W r. 1990 CERN stworzył specjalny program rozwoju detektorów dla LHC, i został powołany Komitet CERN d/s Rozwoju Detektorów (DRDC - Detector Research and Development Committee). W tym programie fizycy i inżynierowie IFJ uczestniczyli w 3 projektach:

• RD6; Integrated Transition Radiation and Tracking Detector for LHC http://greybook.cern.ch/
• RD11; Embedded Architecture for Second-level Triggering (EAST) http://greybook.cern.ch/
• RD20; Development of High Resolution Silicon Strip Detectors for Experiments at High Luminosity at LHC http://greybook.cern.ch/

W oparciu o programy rozwojowe [5], z początkiem lat 90-tych zaczęły się tworzyć zalążki zespołów przygotowujące projekty eksperymentów. Zespół krakowski wszedł w skład współpracy EAGLE, która zgłosiła list intencyjny w r. 1992, prezentowany na konferencji w Evian [6].

W rezultacie wstępnych dyskusji z członkami Komitetu CERN d/s Eksperymentów LHC (LHCC), oraz z innymi zespołami doświadczalnymi, kolaboracja EAGLE zdecydowała się na współpracę z grupą ASCOT, w rezultacie czego pojawiła się koncepcja spektrometru w obecnym kształcie, a eksperyment przybrał nazwę ATLAS. Wspólny list intencyjny pojawił się jesienią 1992 [7].

Projekt Techniczny eksperymentu ATLAS został opracowany w r. 1994 [8] i w tymże roku, w oparciu o pozytywne opinie Komitetu LHCC, został zatwierdzony do realizacji przez dyrekcje CERN.

Lata 1995-1999

W roku 1995 przygotowano Porozumienie (Memorandum of Understanding - MoU), w którym zapisano udział poszczególnych partnerów w pracach nad budową eksperymentu ATLAS. Zobowiązania instytutów krakowskich objęły:

• system zasilania krzemowego detektora torów (SCT),
• system zasilania i sterowania detektora torów i promieniowania przejścia (TRT),
• udział w budowie systemu Trygera i Akwizycji Danych (T/DAQ).

Ten dokument, uwzględniający także stronę finansową projektu, został podpisany również przez Polski Komitet Badań Naukowych (KBN). Jednak tematy zawarte w MoU nie opisywały całej naszej działalności, dodatkowo byliśmy zaangażowani w następujące prace:

• modelowanie procesów fizycznych,
• projektowanie układów odczytu detektorów SCT,
• opracowanie zasilaczy dla detektorów SCT,
• projektowanie systemu zasilania i kontroli detektorów TRT,
• modelowanie i prace prototypowe dla systemów akwizycji i filtracji danych T/DAQ,
• badanie modułów detektorów SCT i TRT,
• opracowanie konstrukcji mechanicznych i systemów chłodzenia detektorów.

Dla realizacji w/w zadań KBN przyznał w roku 1997 zespołom z IFJ PAN i WFiTJ AGH środki finansowe w ramach "specjalnego programu badawczego" (SPUB) pod nazwą "Budowa aparatury detekcyjnej i przygotowanie programu fizycznego eksperymentu ATLAS przy LHC w CERN-ie"..

W tym okresie, na podstawie opracowań projektowych i badań prototypów, została przygotowana seria opracowań technicznych, tzw. Technical Design Reports, ktore określały szczegóły techniczne poszczególnych podsystemów spektrometru ATLAS, te w które zaangażowane były zespoły krakowskie wymienione sa poniżej [9-11]. Analogicznie, na podstawie symulacji komputerowych został opracowany raport dotyczący Detektora ATLAS i Rezultatów Fizycznych, do którego przyczynili się nasi pracownicy i doktoranci [12].

Lata 2000-2005

W tym okresie rozwinięto masową produkcję elementów spektrometru, włącznie z ich testowaniem, oraz rozpoczęto przygotowania do ich integracji w CERN-ie. Z udziałem naszych pracowników wykonane zostały następujące prace:

• przebadano ponad 100 tysięcy i wyselekcjonowano 50 tysięcy sprawnych układów ABCD3T (każdy o 128 kanałach) dla odczytu informacji z detektorów SCT [13],
• zbudowano stanowisko pomiarowe i przebadano w zadanych warunkach termicznych 775 układów hybrydowych (każdy z 1536 kanałami odczytu) dla detektorów SCT (zaakceptowano 710)
• zorganizowano przetarg i wyprodukowano w polskiej firmie Fideltronik 594 sztuk 8 kanałowych zasilaczy 500 V dla detektorów SCT wraz z kasetami i kontrolerami [14],
• opracowano i uruchomiono w CERN prototypowy system zasilania, sterowania i monitorowania pracy detektorów TRT,
• przebadano możliwość wykorzystania rozproszonych zasobów obliczeniowych dla filtracji danych doświadczalnych w czasie rzeczywistym,
• z pomocą ACK Cyfronet stworzono w Krakowie zalążki infrastruktury komputerowej dla symulacji i analizy danych eksperymentów LHC, włącznie z jej integracją z systemem LHC Computing Grid (LCG) [15].
  

CERN, wraz z IFJ PAN i firmą Sobon, opracował projekt dwóch podpór dla eksperymentu ATLAS, które zostały wykonane w polskich firmach Mostostal i HTS, a po przetransportowaniu do CERN przeszły próby obciążeń do 1800 ton oraz zostały zainstalowane w hali eksperymentu [16].

Prace nad rozwojem metod symulacji procesów fizycznych, z udziałem naszych pracowników, obejmowały:

• studia nad pomiarami świetlności w eksperymentach LHC [17],
• zasadniczy udział w opracowaniu listu intencyjnego (Letter of Intent) [18] dotyczącego programu fizyki ciężkich jonów w eksperymencie ATLAS,
• badanie nowych kanałów rozpadu bozonu Higgsa [19,20].

W tych latach pracownicy IFJ PAN włączyli się intensywnie w prace związane z budową infrastruktury, oraz integracją i badaniami detektorów w CERN; w szczególności w budowie systemu chłodzenia i okablowania Inner Detector, oraz projektowaniu i budowie systemu zasilania elektroniki trygera i odczytu danych w podziemnej hali pomiarowej USA15. W latach 2004-2005 przebywało w CERN na dłuższych pobytach ok. 20 krakowskich inżynierów i techników.

W/w prace badawcze jak i udział w budowie spektrometru były finansowane z funduszy statutowych IFJ PAN oraz WFiTJ AGH, a także ze SPUB-ów Nr 620/E-77/SPUB-M/CERN/P03/DZ 295/2000-2002, Nr 620/E-77/SPUB-M/CERN/P03/DZ 110/2003-2005 oraz Nr 620/E-77/SPB/5.PR UE/DZ 465/2002-2004.

[1] Proceedings of ECFA-CERN Workshop on Large Hadron Collider in the LEP Tunnel, Lausanne-CERN Geneva, 21-27 March. 1984, CERN Raport 84-10
[2] Proceedings of ECFA Study Week on Instrumentation Technology for High-Luminosity Hadron Colliders, Barcelona 14-21 Sept. 1989, CERN Raport 89-10 (No. 1989)
[3] Proceedings of ECFA Large Hadron Collider Workshop, Aachen 4-9 Oct. 1990, CERN Raport 90-10 (Dec. 1990)
[4] Proceedings of ECFA-CERN General Meeting on LHC physics and Detectors, Evian-les-Bains, 5-8 March 1992
[5] CERN Detector R&D Programme 1990-1994, summary of results, CERN/ DRDC 94-4
[6] EAGLE ...
[7] ATLAS, Letter of Intent for a General-Purpose pp Experiment at the Large Hadron Collider at CERN, CERN/ LHCC/92-4 (Oct. 1992)
[8] The ATLAS Collaboration, ATLAS Technical proposal, CERN/ LHCC/ 94-43 (Dec. 1994)
[9] ATLAS Inner Detector; Technical Design Report, Raporty CERN/LHCC 97-16 i CERN/LHCC 97-17, April 1997
[10] ATLAS Trigger Performance Status Report, Raport CERN/LHCC 98-15, June 1998
[11] ATLAS DAQ, EF, LVL2 and DCS Progress Report and Workplan, Raport CERN/LHCC 98-16, June 1998
[12] ATLAS Detector and Physics Performance; Technical Design Report, Raporty CERN/LHCC 99-14  i CERN/LHCC 99-15, May 1999
[13] C. Lacasta et al., Production Database for the ATLAS-SCT Front-end ASICs, proceedings of the 6th Workshop on Electronic for LHC Experiments, Cracow, Sep 2000. Report CERN/LHCC/2000-041, 125-129, October 2000
[14]J. Bohm, et al., Power Supply and Power Distribution System for the ATLAS Silicon Strip Detectors, Proceedings of the 7th Workshop on Electronics for LHC Experiments, Stockholm, September 2001, Report CERN 2001-005, 363
[15] T. Bold et al., LHC Grid Computing Cluster at ACC Cyfronet, Raport Roczny IFJ PAN 2003, http://www.ifj.edu.pl/ANNUAL/AR2003/AR2003.html
[16] R. Cwierz et al., Support Structures for the ATLAS Spectrometer, Raport Roczny IFJ PAN 2003, http://www.ifj.edu.pl/ANNUAL/AR2003/AR2003.html
[17] D. Bocian, rozprawa doktorska, IFJ PAN, obrona planowana na styczen 2005
[18] ATLAS Collaboration, Heavy Ion Physics with the ATLAS Detector, Letter of Intent, Raport CERN/LHCC/2004-009, March 2004
[19] E. Richter-Was and T. Szymocha "The light Higgs boson decay into tau-pair: reconstruction
in different production processes",
ATLAS Note ATL-PHYS-2004-012, CERN (ATL-COM-PHYS-2004-010)
[20] E. Richter-Was, T. Szymocha and Z. Was "Why do we need higher order fully exclusive Monte
Carlo generator for Higgs boson production from heavy quark fusion at LHC?"
Physics Letters B, Volume 589, Issues 3-4, pp. 125-134, 2004 (hep-ph/0402159

Laboratorium detektorów krzemowych

Historia:

Historia rozwoju pozycyjnych detektorów krzemowych dla fizyki sięga poczatków lat 80-tych. Pracownicy naszego Instytutu brali udział w pierwszych eksperymentach przeprowadzonych w CERN z zastosowaniem tej techniki (NA11/NA32). Od tego czasu uczestniczą aktywnie w rozwoju tej metodyki jak i w zastosowaniach w fizyce i innych dziedzinach.

Laboratorium detektorów krzemowych i związanej z nimi elektroniki VLSI powstało w IFJ z początkiem lat 90-tych w oparciu o granty KBN i fundacji M. Skłodowskiej-Curie, we współpracy z Wydziałem Fizyki i Techniki Jądrowej AGH w Krakowie. Tworzyli go pracownicy ówczesnego Zakładu V, następnie Zakładów XI, XIII i XIV.

Prace badawcze i udział w eksperymentach:

Międzyzakładowe laboratorium krzemowe umożliwiało badanie, testowanie i montaż elementów półprzewodnikowych stosowanych w eksperymentach fizyki wysokich energii. Były to przede wszystkim krzemowe detektory pozycyjne oraz przeznaczone do ich odczytu układy scalone i hybrydowe.

Pierwsze prace prowadzone były w ramach CERN-owskich eksperymentów NA11 i NA32.

W połowie lat 80-tych grupa krakowska włączyła się aktywnie w budowę precyzyjnych detektorów wierzchołków oddziaływania dla eksperymentów MARK II na akceleratorze SLC w SLAC i DELPHI na akceleratorze LEP w CERN, przyczyniając się decydująco do rozbudowy laboratorium.

Z początkiem lat 90-tych prowadzono prace dla CERN-owskiego programu badawczo rozwojowego RD-20 p.n. "Rozwój paskowych detektorów krzemowych wysokiej rozdzielczości dla eksperymentów o wysokiej świetlności na LHC (Large Hadron Collider)." Polegały one głównie na badaniu parametrów detektorów i struktur testowych naświetlanych różnymi rodzajami promieniowania jonizującego.

Uzyskane rezultaty pozwoliły na zaprojektowanie krzemowego detektora torów SCT (SemiConductor Tracker) do CERN-owskiego eksperymentu ATLAS. Prowadzone prace dotyczyły projektowania i badania różnych wersji prototypowych detektorów i elektroniki oraz testowania układów hybrydowych.

Krakowska grupa eksperymentu BELLE w KEK w Japonii prowadziła prace dotyczące detektorów krzemowych dla detektora wierzchołka.

Prowadzono również badania nad wykorzystaniem pozycyjnych detektorów krzemowych w krystalografii, biologi i medycynie, w tym projekt SUCIMA (Silicon Ultra fast Cameras for Electron and Gamma Sources in Medical Applications ) no. GRD 2-2002-31832 zatwierdzony w ramach Piątego Programu Unii Europejskiej.

Wszystkie te prace zaowocowały licznymi publikacjami (SPIS PUBLIKACJI).

Dydaktyka:

Prof. dr hab. M. Turała i prof. dr hab. A. Zalewska prowadzili przez szereg lat wykłady specjalistyczne dla studentów fizyki UJ i AGH, obejmujące również technologie i zastosowania pozycyjnych detektorów krzemowych.

W IFJ wykonano kilka prac magisterskich, oraz przygotowano kilka rozpraw doktorskich i habilitacyjnych, dotyczących tej metodyki (SPIS PRAC I ROZPRAW).

Stacja Alessi i mostek pomiarowy LRC	Mikromanipularory na stacji Alessi
Druga stacja z kamerą CCD i monitorem	Mikrozgrzewarka (bonder) firmy Kulick&Soffa
Stanowisko z diodą podczerwoną i precyzyjnymi liniałami na granitowym stoliku (350 kG wagi!)	Fragment paskowego detektora krzemowego - widoczne oporniki polisilikonowe

Eksperyment PHOBOS

W eksperymencie PHOBOS zaangażowanych było kilkunastu pracowników Instytutu Fizyki Jądrowej. Fizycy z IFJ uczestniczyli w projektowaniu eksperymentu, w tworzeniu oprogramowania komputerowego, w pomiarach na wiązce akceleratora RHIC, a obecnie uczestniczą w analizie danych doświadczalnych. Detektor eksperymentu PHOBOS był budowany w latach 1992- 2001. W budowę detektora zaangażowani byli również Inżynierowie z IFJ, którzy projektowali prawie wszystkie konstrukcje mechaniczne detektorów oraz cały układ chłodzenia detektorów. Większość elementów konstrukcji została także wykonana w warsztatach IFJ. Pierwsze zderzenia wiązek złota (Au+Au) w akceleratorze RHIC zostały zarejestrowane w czerwcu 2000 r. Detektor PHOBOS dostarczał danych doświadczalnych przez okres sześciu lat, kończąc działanie w roku 2005.

Fizycy z naszego zakładu uczestniczyli w eksperymencie PHOBOS od samego początku, tzn. od 1992 r. Naszym zadaniem było:

• dokonywanie symulacji komputerowych działania detektora PHOBOS. Symulacje posłużyły najpierw do optymalizacji projektu detektora, później do testowania przygotowywanego oprogramowania, a obecnie do porównania wyników pomiarów z przewidywaniami modeli teoretycznych
• wykonanie pełnego opisu geometrycznego detektora PHOBOS, niezbędnego w symulacjach MC, a także w procesie naboru, rekonstrukcji i analizie danych doświadczalnych
• opracowanie metody wyznaczenia położenia punktów zderzeń jądrowych w rurze akceleratora (wierzchołka)
• pomiar niezmienniczych rozkładów (małych) pędów poprzecznych w zderzeniach jądrowych w akceleratorze RHIC
• udział w analizach fizycznych badających wielorodną produkcję cząstek
• udział w analizach fizycznych badających fluktuacje liczby wyprodukowanych cząstek
• udział w analizach badających efekty kolektywne (przepływ eliptyczny) w oddziaływaniach jądrowch
• przygotowywanie publikacji

Mimo, że detektor PHOBOS zakończył już swoje działanie, to fizycy nadal analizują olbrzymią ilości danych doświadczalnych, poszukując nowych zjawisk fizycznych. Obszerną listę referatów i publikacji dotyczącą uzyskanych rezultatów fizycznych można znaleźć na stronie internetowej eksperymentu PHOBOS.