Μελέτη του ανιχνευτή Micromegas για την αναβάθμιση του New Small Wheel του πειράματος ATLAS

Abstract

Ο Mεγάλος Eπιταχυντής Aδρονίων (LHC) είναι ο μεγαλύτερος και πιο ισχυρός επιταχυντής που έχει κατασκευαστεί. O LHC ξεκίνησε το ταξίδι του στις 10 Σεπτεμβρίου του 2008, αποτελούμενος από υπεραγώγιμους μαγνήτες, οι οποίοι λειτουργούν σε θερμοκρασίες χαμηλότερες και από αυτές του διαστήματος (κοντά στο απόλυτου μηδέν, -271.3 οC), συνθέτοντας έναν δακτύλιο με περίμετρο 27 km και παράγωντας μαγνητικά πεδία ισχυρότερα κατά 100,000 φορές από το μαγνητικό πεδίο της Γης. Το μαγνητικό σύστημα του LHC, αποτελείται από 1232 διπολικούς μαγνήτες, 15 μέτρων ο καθένας, οι οποίοι κατευθύνουν την δέσμη και 392 τετραπολικούς μαγνήτες, 5-7 μέτρων ο καθένας, οι οποίοι εστιάζουν την δέσμη. Το σύστημα των μαγνητών συμπληρώνεται από μεγαλύτερης τάξης μαγνήτες οι οποίοι χρησιμοποιούνται για την διόρθωση της δέσμης. Εκτός από τους μαγνήτες, ειδικές διατάξεις, που ονομάζονται «κοιλότητες ραδιοσυχνοτήτων», τοποθετημένες σε στρατηγικά σημεία στον δακτύλιο του LHC, με σκοπό να επιταχύνουν τα σωματίδια της δέσμης κοντά στην ταχύτητα του φωτός, προετοιμάζοντάς τα για τις επικείμενες συγκρούσεις. Οι συγκρούσεις των σωματιδίων λαμβάνουν χώρα σε μόλις 4 σημεία στον LHC, τα οποία αντιστοιχούν στις θέσεις των 4 μεγάλων πειραμάτων, ονομαστικά ATLAS, CMS, ALICE και LHCb. Για να καταφέρουν οι επιστήμονες να ξεπεράσουν τις προσδοκίες αλλά και τις προκλήσεις που θα εισαχθούν στην εποχή της Υψηλής Φωτεινότητας (HL-LHC) του επιταχυντή, όλα τα πειράματα θα πρέπει να αναβαθμιστούν. Η συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή αποσκοπεί στην παρουσίαση μίας περιεκτικής περιγραφής της αναβάθμισης του πειράματος ATLAS, κυρίως του Μιονικού Φασματομέτρου (ΜΦ) αλλά και της αναβάθμισης του εσωτερικού σταθμού του ATLAS, τον ονομαζόμενο New Small Wheel (NSW). Ο ανιχνευτής ATLAS, συντομογραφία του «A Toroidal LHC ApparatuS», κατασκευάστηκε με σκοπό την μελέτη ενός διευρυμένου πεδίου της φυσικής, αξιολογώντας τη φύση των ακρογωνιαίων λίθων του σύμπαντος είτε επιβεβαιώνοντας το Καθιερωμένο Πρότυπο είτε φανερώνοντας νέα στοιχεία για την ύπαρξη νέων σωματιδίων. Το ΜΦ καλύπτει εξωτερικά των ανιχνευτή, ορίζοντας με αυτόν τον τρόπο την διάστασή του. Είναι αφοσιωμένο στην αναγνώριση και στην μέτρηση της ορμής των μιονίων, χρησιμοποιώντας την τεχνική της καμπύλωσης της τροχιάς των σωματιδίων με τη βοήθεια ενός συστήματος δακτυλιοειδών υπεραγώγιμων μαγνητών με πυρήνα αέρα. Το κίνητρο για την αναβάθμισή του βασίστηκε στην αναμενόμενη υπέρβαση του ορίου λειτουργίας του λόγω του προβλεπόμενου υψηλού υποβάθρου ακτινοβολίας στο RUN-3 (2021) και κατ' επέκταση στο HL-LHC (2026). Επιπρόσθετα, ο ρυθμός καταγραφής δεδομένων θα υπερβεί το εύρος ζώνης μετάδοσης λόγω των ψεύτικων σημάτων από σωματίδια που προέρχονται από τα υλικά θωράκισης του ανιχνευτή αλλά και των μαγνητών. Προκειμένου να αντιμετωπιστεί η προβλεπόμενη αυτή αύξηση των ανιχνεύσιμων σωματιδίων, η κοινότητα του ATLAS αποφάσισε να αντικαταστήσει τον υπάρχοντα υποσταθμό μιονίων της συγκεκριμένης περιοχής με έναν νέο, ο οποίος θα συνδυάσει δύο νέες τεχνολογίες ανιχνευτών, τους sTGC και τους Micromegas οι οποίοι χαρακτηρίζονται από εξαιρετικές επιδόσεις, διατηρώντας σε υψηλά επίπεδα την συνολική απόδοση του ΜΦ στην νέα εποχή Υψηλής Φωτεινότητας. Η αναβάθμιση του NSW απαιτεί και από τις δύο τεχνολογίες να συστήσουν ένα πλήρως αυτόνομο πολυστρωματικό σύστημα, λειτουργώντας ως σταθμοί ενεργοποίησης καταγραφής, αναγνώρισης προτύπων και ανακατασκευής γεγονότων. Οι ανιχνευτές πρέπει να είναι ικανοί να μετρήσουν την θέση καταγραφής ενός γεγονότος με ακρίβεια της τάξης των 50 μm. Επιπρόσθετα, η απευθείας ανακατασκευή των τροχιών των σωματιδίων επιτάσσει την ικανότητα μέτρησης της γωνίας ανίχνευσης των σωματιδίων με μεγάλη ακρίβεια 1 mrad, RMS) στην περιοχή ψευδο-ωκύτητας 1.3 < |η| < 2.7. Το συγκεκριμένο κριτήριο μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για την ταυτοποίηση των τροχιών από το σημείο σύγκρουσης στο κέντρο του ανιχνευτικού συμπλέγματος του ATLAS, μειώνοντας την καταγραφή των ψεύτικων γεγονότων εντός του επιτρεπτού ορίου (<20 kHz). Προκείμενου να αποδειχθεί ότι η τεχνολογία Micromegas είναι η καταλληλότερη για την αντιμετώπιση αυτών των δυσκολιών, πληρώντας όλα τα κριτήρια που έθεσε η κοινότητα του ATLAS, έχουν υποβληθεί σε ειδικά σχεδιασμένα πειράματα με δέσμες αδρονίων μέτριας (10 GeV/c) αλλά και υψηλής (150 GeV/c) ενέργειας στις εγκαταστάσεις του CERN. Για την σωστή λειτουργία του NSW, ένα σύστημα διανομής αερίου χρειάστηκε να σχεδιαστεί προκειμένου να εξασφαλιστεί η αναμενόμενη παροχή του μεταξύ των ανιχνευτών Micromegas αλλά και να επιτευχθεί ομοιόμορφη στρωτή ροή. Το μίγμα αερίου που θα χρησιμοποιηθεί είναι το Ar+7%CO2 σε ατμοσφαιρική πίεση. Το σύστημα παροχής αερίου έχει βελτιστοποιηθεί ώστε να μειωθεί η πίεση του αερίου και οι διακυμάνσεις της εξαιτίας της βαρύτητας, με τη βοήθεια προσομοιώσεων της ροής του αερίου μεταξύ των σημείων εισόδου και εξόδου. Κάθε NSW αποτελείται από 16 κανάλια αερίου εισόδου και 16 κανάλια εξόδου, με κάθε κανάλι να τροφοδοτεί δύο γειτονικούς ανιχνευτές. Όλα τα κανάλια είναι εφοδιασμένα με μία ``αντίσταση'' προκειμένου να διατηρούν την πίεση του θαλάμου του ανιχνευτή σε ασφαλή επίπεδα (<1 mbar). Εντός των θαλάμων υπάρχει ένα ειδικά σχεδιασμένο σύστημα ψεκασμού του αερίου παρέχοντας αέριο και από τις δύο πλευρές του ανιχνευτή ώστε να τροφοδοτείται ομοιόμορφα όλος ο όγκος του ανιχνευτή. Το αέριο αναδιανέμεται από την έξοδο του ανιχνευτή στο κύριο σύστημα αερίου του ATLAS. Για την ασφαλή λειτουργία των ανιχνευτών, ένα διαισθητικό σύστημα αυτομάτου ελέγχου ήταν μείζονος σημασίας. Το MMSW DCS δημιουργήθηκε για το σκοπό αυτό, ακολουθώντας τη ίδια μορφολογία και αρχιτεκτονική των υπολοίπων μιονικών υποσυστημάτων, αλλά και για να λειτουργήσει ως η βάση για μελλοντικές αναβαθμίσεις. Το κύριο καθήκον του DCS είναι να επιτρέπει τη συνεκτική και ασφαλή λειτουργία του ανιχνευτή παρακολουθώντας συνεχώς τις λειτουργικές του παραμέτρους και τη συνολική του κατάσταση. Παράλληλα με την ανάπτυξη του συγκεκριμένου συστήματος, έγιναν αρκετές προσθήκες στο υπάρχον σύστημα ελέγχου των μιονικών ανιχνευτών, βελτιώνοντας την αποτελεσματικότητα και την λειτουργικότητα του Συστήματος Ελέγχου Ανιχνευτών Ανίχνευσης. Οι δύο σημαντικές προσθήκες που πραγματοποιήθηκαν αφορούν την εφαρμογή ενός εργαλείου για τη μελέτη της τρέχουσας συμπεριφοράς των θαλάμων κατά τη διάρκεια της μεταβατικής περιοχής Υψηλής Φωτεινότητας, ενώ η δεύτερη ήταν η ενσωμάτωση των θαλάμων μικρού διαμέτρου Muon Drift Tube (sMDT), οι οποίοι υπηρετούν το σύστημα αυξάνοντας την περιοχή αποδοχής μιονίων, βελτιώνοντας την ικανότητα καταγραφής του συστήματος στις περιοχές υψηλού υποβάθρου. Και οι δύο προσθήκες ενσωματώθηκαν στο κεντρικό σύστημα ελέγχου ATLAS DCS και χρησιμοποιούνται για την ασφαλή λειτουργία του ανιχνευτή ATLAS.Όπως σε όλα τα ταξίδια έτσι και σε αυτό της ανακάλυψης, ενδέχεται να παρουσιαστούν σκόπελοι που θα σε κάνουν να παρεκκλίνεις από την πορεία σου. Εμπόδια όμως τα οποία στην ουσία τους αποτελούν ευκαιρία προς την ίδια την γνώση. Τα πάντα στη ζωή είναι θέμα οπτικής γωνίας, δεν έχει σημασία πόσες φορές θα χάσεις τον δρόμο, αυτό που μετράει είναι να συνεχίσεις το ταξίδι μέχρι να φτάσεις στον τελικό προορισμό!