Projekti / Programi
Detektorji v fiziki delcev za naslednjo generacijo trkalnikov
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.06 |
Naravoslovje |
Fizika |
Eksperimentalna fizika osnovnih delcev |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P211 |
Naravoslovno-matematične vede |
Interakcije pri visokih energijah, kozmični žarki |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
Eksperimentalna fizika delcev, super Veliki hadronski trkalnik, nadgradnja detektorja ATLAS, trkalnik Super KEKB, detektor Belle II, detektorji sledi, polvodniški detektorji, diamantni detektorji, mikropasovni detektorji, blaziničasti detektorji, sevalne poškodbe, identifikacija delcev, detektoji obročev Čerenkova, fotonski detektorji
Raziskovalci (14)
Organizacije (3)
Povzetek
Raziskave v fiziki delcev v naslednjem desetletju bodo usmerjene proti dvem mejam: najvišjim energijam v Velikem hadronskem trkalniku (LHC) in precizijskim meritvam v tovanah mezonov B. Cilj teh komplementarnih metod je isti: odkriti pojave izven Standardnega modela. Za doseganje tega cilja je pri obeh pristopih odločilna velika pogostost trkov, protonov v nadgradnji LHC (sLHC) in elektronov in pozitronov v trkalniku Super-KEKB.
Povečana pogostost trkov postavlja pred detekcijske sisteme zahteve, ki jim detektorji sedanje generacije ne zadoščajo. Pri sLHC je glavna težava desetkrat večje število nastalih delcev in ustrezno večja sevalna obremenitev, pri Belle II pa bistveno krajši čas med trki. Nujna je torej celovita prenova večih detektorskih sistemov.
Predlagani projekt nudi podporo načrtovanim nadgradnjam detektorjev ATLAS in Belle II na dveh področjih: detektorja sledi v ATLAS in detektorja sevanja Čerenkova v Belle II.
Pri detektorju ATLAS je kratkoročni cilj sodelovanje pri izboru senzorjev za vgradno notranjo plast pixel detektorja (IBL - Insertable B-Layer), ki bo kompenziral izgubo izkoristka sedanjega pixel detektorja po letu 2014. Dolgoročni cilj pa je sodelovanje pri zamenjavi zunanjega dela detektorja sledi z mikropasovnimi silicijevimi detektorji ob zamenjavi celotnega detektorja sledi okoli leta 2018. Pri tem se bomo pri IBL sprva osredotočili na diamantne detektorje. Ob izboru konkurenčnih silicijevih tehnologij (planarna, 3-D) se bomo vključili v končno verifikacijo detektorskih modulov za IBL ter nadaljevali z razvojem diamantnih senzorjev za zamenjavo notranje(-ih) plasti pixel detektorja pri sLHC. Pri mikropasovnih detektorjih, kjer izbor senzorjev ni vprašljiv, bodo raziskave usmerjene v verifikacijo koncepta modulov ter iskanju rešitev za integracijo, ki bodo omogočile optimalno razmerje med zmogljivostjo detektorja in njegovo ceno.
Raziskave bodo potekale v okviru projektov ATLAS IBL, dveh R&R projektov nadgradnje ATLAS s diamantnimi in mikropasovnimi detektorji ter CERNovih R&R projektov RD-42 (diamantni detektorji) in RD-50 (silicijevi detektorji).
Za eksperiment Belle II bomo v okviru predlaganega projekta razvili dve novi metodi za identifikacijo delcev. Obe metodi temeljita na detekciji fotonov Čerenkova, pri čemer gre pri eni za posebno vrsto detektorja obročev Čerenkova s fokusirajočim sevalcem. Druga metoda kombinira meritev koordinate točke na ravnini, skozi katero je priletel foton Čerenkova, z zelo natančno meritvijo časa preleta. Pri razvoju obeh metod predstavlja osrednji izziv razvoj krajevno občutljivega senzorja za posamezne fotone, ki bo zanesljivo in stabilno deloval v visokem magnetnem polju (1,5 T) pri veliki gostototi zadetkov in nevtronov iz ozadja. Veliki pogostosti zadetkov in zahtevam po natančni meritvi časa nastanka sunkov v senzorju bo potrebno prilagoditi tudi parametre posebaj za ta namen razvite čitalne elektronike. Z realistično računalniško simulacijo odziva detektorja bomo optimizirali konfiguraciji obeh detektorjev. V okviru projekta bomo izvedli tudi načrtovanje, izgradnjo in testiranje prototipov obeh vrst detektorjev, v zaključni fazi pa tudi testiranje posameznih komponent končne verzije obeh detektorskih sistemov pred vgradnjo.
Pomen za razvoj znanosti
Eksperimenta, katerih nadgradnjo podpira izvedeni projekt, predstavljata vrhunsko znanstveno ustvarjanje na meji znanstvenih in tehnoloških zmožnosti celotnega človeštva. Raziskave na njih so preizkušane ter odobrene v recenzijah programskih svetov mednarodnih središč, v katerih se izvajajo. Namenjene so preverjanju dogajanja v svetu osnovnih gradnikov narave in interakcij med njimi. Uporabljajo pospeševalnike najvišjih energij ali posebnih lastnosti, kar jim omogoča razširiti meje spoznanj o Naravi. Visoke gostote energije nas vodijo v svet, kot je obstajal takoj po Velikem poku in s tem pripomorejo k razumevanju nastanka Vesolja. Detektorski projekt je vezan tudi na mednarodni R&R kolaboraciji RD-42 in RD-50, katerih delovanje in dosežki so pod nadzorom programskega sveta LHCC v CERNu. To velja tudi za projekte nadgradenj detektorjev, ki so podvrženi stalnemu notranjemu nadzoru v kolaboraciji in pa nadzoru agencij, ki projekte financirajo. Rezultati predlaganega projekta so prinesli napredek in nove rešitve v ciljnih detektorskih tehnikah. Predvsem pa bodo omogočili nadgradnjo eksperimentov in uspešne meritve pri velikih luminoznostih izpopolnjenjih trkalnikov ter s tem možnost detekcije in izvednotenja pojavov Nove fizike. Procesi Nove fizike, če obstajajo, bodo nedvomno predstavljali veliko spremembo v razumevanju sestave sveta. Če za primer vzamemo supersimetrične razširitve SM, temelječe na teoriji strun, si lahko predstavljamo, da bi vplivale na dojemanje narave podobno, kot je vplivala teorija relativnosti z vpeljavo četrte, časovne dimenzije, kot enakovredne trem prostorskim. Teorije namreč predvidevajo deset namesto treh prostorskih koordinat, dodatne dimenzije pa se ne raztezajo v neskončnost kot že poznane, pač pa so skrčene in mnogo velikostnih redov manjše od dimenzij težkih delcev sestavljenih iz kvarkov. Medtem ko bo na trkalniku HL-LHC mogoče neposredno pridobiti signale za obstoj delcev (če bodo odkriti na LHC, pa natančneje določiti njihove lastnosti), ki jih napoveduje Nova fizika, pa bo mogoče z precizijskimi meritvami z detektorjem Belle II razlikovati med posameznimi modeli in s tem določiti lastnosti doslej neznanih delcev.
Pomen za razvoj Slovenije
Čeprav gre pri predlaganem projektu za čiste osnovne raziskave, ima preko naročil industriji projekt lahko precejšen vpliv na gospodarstvo. Vrednost celotne nadgradnje detektorja sledi za HL-LHC pa okoli 100 milijonov EUR, pri čemer ni vključen strošek dela sodelujočih raziskovalcev. Večina tega zneska bo porabljena preko naročil industriji. Tu ima slovenska visokotehnološka industrija, predvsem tisti njen del, ki bo sodeloval v fazi prototipov, priložnost za neposredni zaslužek. Hkrati lahko osvojitev novih tehnologij odpre nove razvojne možnosti, prodaja eksperimentom v CERNu pa je izvrstna referenca, ki odpira vrata na druge zahtevne trge. Detektorji, ki smo jih raziskovali v okviru projekta, imajo številne uporabe na drugih področjih. Silicijevi pozicijsko občutljivi detektorji obetajo uporabo pri medicinskem slikanju, predvsem preiskavah SPECT in PET. Diamantni detektorji so primerni za in-vivo dozimetrijo in kot detektorji sevanja v jedrskih centralah, kjer zaradi visokih temperatur drugi detektorji odpovedo. Tako silicijevi detektorji, kot novi fotonski detektorji, opremljeni s scintilatorji pa so primerni za kombinirano dvomodalno slikanje PET/MRI. Bistveno je tudi sodelovanje slovenske znanosti pri vrhunskih raziskavah o temeljnih zakonitostih v naravi. Iz raziskovanja pod enakopravnimi pogoji in skupaj z znanstveniki s celega sveta je Sloveniji omogočeno: - sodelovanje pri predlaganju in izvedbi vrhunskih raziskav na enem najodmevnejših področij znanosti - objava raziskav v mednarodnih revijah in na znanstvenih srečanjih - vzgoja mladih raziskovalcev v mednarodnem sodelovanju in tekmovanju z vrstniki s celega sveta - dostop in delo z najmodernejšo tehnologijo na področjih detektorjev, elektronike in računalništva - prenos teh tehnologij v domače okolje - uporaba pridobljenega znanja na drugih področjih - udeležba slovenske industrije pri razvoju in dobavi izdelkov visoke tehnologije. Pristop do tehnoloških programov CERNa in dobava opreme, povezane s pospeševalniško infrastrukturo, se bosta upajmo olajšala s skorajšnjim pristopom Slovenije k tej mednarodni organizaciji. Že med statusom kandidatke ima namreč pristopajoča država vse možnosti na teh področjih. Stik z vrhunsko tehnologijo, velikokrat celo v fazi njenega razvoja in preizkušanja, je ključen tako za vzgojo mladih kadrov z visokim inovacijskim potencialom, kot tudi za ohranjanje tehnološke izobraženosti starejših raziskovalcev, ki preko svoje pedagoške dejavnosti to prenašajo na mlade. Preko skupnega dela v mednarodnih kolaboracijah stkane vezi naravno vodijo do sodelovanja v tehnoloških projektih. Polnopravno sodelovanje slovenskih znanstvenikov v velikih mednarodnih kolaboracijah utrjuje ugled slovenske znanosti in prispeva k prepoznavnosti slovenske države. Dodatno k temu pripomore organizacija mednarodnih srečanj v Sloveniji, bodisi znanstvenih konferenc in šol, bodisi delovnih srečanj kolaboracij.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2010,
2011,
2012,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2010,
2011,
2012,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
