Kompaktā mionu solenoīda eksperiments

Divu Latvijas universitāšu – RTU un LU konsorcijs 2017. gada decembrī pievienojās KMS eksperimentam. Sekojošas kopīgas pētījumu jomas tika izvelētas:  

• RTU - tehniskā integrēšana – inženierzinātnes – viens pētnieks darbojas CERN;
• RTU - top kvarka pētniecība – hadronu strūklu saistību krāsu laukā, sabrūkot top kvarkam – viens zinātnieks piedalās KMS eksperimentā autora statusā;
• Latvijas Universitāte – datorsmulācijas – potenciāla darbība kā TR2 līmņa dalībniekam. Piedalās viens doktorants;
• Latvijas Universitāte – darbība Crystal Clear Collaboration sadarbības projektā.

Kompaktā mionu solenoīda (KMS) eksperiments tika radīts, lai:

1. Meklētu Higsa bozonu, kura eksistence tika paredzēta jau 1964. gadā. Higsa lauks izskaidro, kādēļ citām elementārdaļiņām ir masa. Pēc 50 gadu ilgiem meklējumiem tas tika atklāts 2012. gadā. Šis atklājums apstiprināja mūsu uzskatu pareizību par fundamentālajiem spēkiem dabā.
2. Meklētu tumšās matērijas signālu. Parastā matērija, no kuras sastāvam mēs, veido tikai 5% no Visuma. Pārējie 95% neiedarbojas uz mūsu maņām un mērinstrumentiem. Par tumšās matērijas klātbūtni varam spriest tikai netieši.
3. Pētītu kvarku-gluonu plazmu. Tiek uzskatīts ka šādā stāvoklī atradas Visums pirmajā mikrosekundē pēc Lielā Sprādziena.
4. Meklētu līdz šim nenovērotas elementārdaļiņās, piemēra, zināmo daļiņu supersimetriskos partnerus.

Ievērojama pētniecības daļā norit top kvarka jomā, kas ir vissmagākā no elementārdaļiņām un kuras sabrukšanas procesā var novērot daudzus interesantus procesus.

Detektorā pastāv 3.8T stiprs magnētiskais lauks, ko rada supravadošs solenoīds. Magnētiskajā laukā uzkrātā enerģija ir vislielākā no visiem detektoriem attiecībā pret magnēta masu. No šejienes - kompaktais solenoīds. Mioni rodas daudzu elementārdaļiņu procesu norises ceļā, turklāt tos ir salīdzinoši vienkārši novērot.

KMS detektors no visām puses aptver hadronu (lielākoties protonu un svina jonu) sadursmes punktu. Tas kā sīpols sastāv no vairākām kārtām.

Pašā centrā atrodas silīcija trekeris. Lādētas daļiņas, ceļojot cauri trekerim, atstāj signālus silīcijas šūnās. Savienojot ierosinātās šūnas, rekonstruē daļiņu trajektoriju un nosaka mijiedarbības punktu, no kura šīs daļiņas izkliedējas.

Nākamais slānis ir elektromagnētiskais kalorimetrs, kurā tiek mērīta elektronu un fotonu enerģija. Tas sastāv no mirdzkristāliem. Gaismas enerģija, kas rodas, absorbējot elektronus un fotonus, tiek mērīta ar fotodiodēm.

Hadronu enerģija tiek mērīta hadronu kalorimetrā. Hadroni tiek absorbēti misiņa slānī, radot hadronu strūklas. Hadronu strūklas ierosina mirdzizlādi plastikāta materiālā. Mirdzizlādes enerģija tiek mērīta ar fotodiodēm.

Trekeri un kalorimetrus aptver supravadošs solenoīds, kas tajos rada vienmērīgu magnētisko lauku. Solenoīds ir atdzesēts līdz 4,5 K grādu temperatūrai. Lādētas daļiņas magnētiskajā laukā tiek noliektas. Tādā veidā varam novērtēt šo daļiņu momentu.

Mioni, kas ir elektronam līdzīgas, taču daudz smagākas elementārdaļiņās, izspraucas cauri visiem minētajiem slāņiem un to trajektorijas novērojamas mionu kamerās. Mionu kameras ir pildītas ar gāzi, kas tiek jonizēta, kad tās atomi saduras ar kamerai cauri ceļojošiem mioniem. Kamerās esošais elektriskais lauks  paātrina jonus. Joni, sasniedzot elektrodus, rada nepieciešamo signālu mionu trajektorijas rekonstruēšanai.

Neitrino izspraucas cauri visiem dektora slāņiem, neatstājot nekādu signālu. Par neitrino esamību varam spriest tikai no tā, ka tie aiznes zināmu daļu enerģijas un momenta.

KMS gada laikā ievāc 5 petabaitus datu. To glabāšana un apstrāde notiek izkliedēti vispasaules Lielā hadronu paātrinātāja skaitļošanas režģī.

Kompaktais mionu solenoīds ir viens 4 galvenajiem Lielā hadronu paātrinātāja eksperimentiem. To apkalpo ap 4000 zinātnieku, inženieru un studentu no ap 200 dažādiem institūtiem un universitātēm ap 40 pasaules valstīs.

Pētniecības virzieni

Rīgas Tehniskā universitāte piedalās top kvarka pētniecības grupā. Pētījumu joma saistīta ar hadronu strūklu saistību, sabrūkot top kvarkam.

https://home.cern/about/experiments/cms