„Még egy centiméter” – mondta a vezető technikus a hidraulikus emelő működtetése közben, 2020. augusztus 14-én. A mintegy 5 m átmérőjű, 5 m hosszú, hengeres óriásdetektor egyik legfontosabb eleme óvatosan a helyére került, 56 méterrel a föld alatt, a Nagy Hadronütköztető (Large Hadron Collider – LHC) 2. ütközési pontjában, az ALICE-kísérlet föld alatti mérőhelyén. Ez a művelet koronázta meg azt a több évig tartó fejlesztési munkát, amelynek eredményeként az ALICE Időprojekciós Kamrája elfoglalta a dobogót – mint a világ legnagyobb térfogatú, 88 m3-es GEM-alapú TPC-detektora.
„Augusztus közepén lezárult a CERN ALICE-kísérlet Időprojekciós Kamrájának (Time Projection Chamber – TPC) modernizálása. 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” – mondta Barnaföldi Gergely Gábor, a Magyar ALICE Csoport vezetője.
Az ALICE TPC egy részecske-nyomkövető detektor, amely egy, a Nagy Hadronütköztető nehézion fizikai kutatásait célzó, speciális berendezés. 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 óriásdetektor szerkezetét úgy kell elképzelnünk, mint egy nagy, argon-széndioxid gázkeverékkel töltött hengert, egy „kisembernyi” lyukkal a közepén. Ebben a belső üregben helyezkedik el a szilíciumlapkákból álló nyomkövető, valamint legbelül a berillium-nyalábcső, amelyben 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. Ezek a detektorok a TPC korábbi változatában ún. sokszálas proporcionális kamrákból (Multiwire Proportional Chamber – MWPC) épültek fel, amelyek összesen 72 részből álltak. Az ALICE TPC továbbfejlesztése során most ezeket a „tortaszeleteket” felváltották egy újfajta – ún. gázelektron-sokszorozó (Gas Electron Multiplier – GEM) – technológián alapuló elemek. A GEM-technológia fontos eleme a mikrostruktúrás detektorfejlesztésnek, amelyeket a CERN az RD51 együttműködés keretében tökéletesített. Ebben a munkában részt vett a Wigner FK-ban Varga Dezső vezetésével működő Innovatív Gázdetektorok Lendület kutatócsoport is.
A GEM-technológia újdonsága, hogy lehetővé teszi a folytonos adatkiolvasását a detektorból, így a másodpercenkénti 50 000 ólom-ólom ütközés mindegyikében keletkező több tízezer részecskepálya szinte mindegyike rögzítésre kerülhet az új, akár 4 TB/s sebességű kiolvasórendszernek köszönhetően. De vajon fog-e működni ez, és tudnak-e a GEM-eszközök olyan jól teljesíteni, mint MWPC-alapú elődjeik?
Ahhoz, hogy ezt a kérdést meg tudjuk válaszolni, hosszú éveken át 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, melyek 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 zajlott szerte a világban. A részegységek összeépítése meglehetősen komoly logisztikai feladat – mondta Barnaföldi –, különösen, hogy három kontinensen folytak párhuzamosan a fejlesztések. Az ALICE TPC-csapat együttesen dolgozott a fejlesztés utolsó lépésein, amelyeket a Covid19 járvány kitörése mellett is képesek voltak sikeresen lezárni.”
A CERN gyorsító komplexumának második hosszú leállása (Long Shutdown 2 – LS2) alatt először kiemelték a TPC-modulját a földalatti csarnokból, majd a felszínen a keretével együtt áttették egy, a feladat végrehajtására épített tisztaszobába. Darukkal, emelőkkel és egy 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, az emelők és a speciális kamion.
A Magyar ALICE Csoport szerepvállalása igen jelentős volt ebben a projektben, hiszen a NKFIH OTKA K120660 pályázat 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. 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 kollégák, 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 a pandémiás helyzet beálltával egy regénybe illő, kalandos hazaút után, itthonról, távmunkában végezték a méréseket és a detektorok tesztelését. A Magyar ALICE Csoport TPC-fejlesztésben résztvevő meghatározó tagjai: Barnaföldi Gergely Gábor csoportvezető, Boldizsár László, Futó Endre, Gera Ádám, Hamar Gergő, Varga Dezső, Vargyas Márton.
Az ALICE kísérleti együttműködés hatalmas lépést tett meg azáltal, hogy a TPC fejlesztésébe több évnyi intenzív K+F tevékenységet befektetve, a tesztelés és az összeszerelés eredményeként létrejött egy modern berendezés. 2020 végére a teljes TPC-t bekötik az ALICE központi elektromos, gáz- és vezérlőrendszerébe. A végső globális kozmikus tesztek még hátravannak, utána viszont már csak annyi marad, hogy a készítők együtt izguljanak az LHC gyorsított részecskenyalábjainak felélesztésekor az új mérések sikeres elindulásáért.
Az CERN ALICE hivatalos híre: home.cern
A magyar közleményt írta: Barnaföldi G.G. és Gergácz M.A.