Eksperyment CMS: Tam “wpadł” bozon Higgsa

Detektor CMS jest najcięższym tego typu urządzeniem na świecie. Waży 14 tysięcy ton, ponad półtora raza więcej niż wieża Eiffla. 

CMS ma unikatową konstrukcję. Składa się z części, które można rozsuwać na specjalnych poduszkach powietrznych. Ciężar tego urządzenia wynika z tego, że w dużej części zbudowane jest z litej stali. Jest tam między innymi 11 stalowych tarcz o średnicy 14 metrów i grubości 30 centymetrów. Każda z nich waży tysiąc ton. Możliwość przesuwania tych tarcz ułatwia dostęp do aparatury i sprawia, że można dokonywać jej naprawy lub modernizacji. 

W czasie obecnej przerwy modernizacyjnej Wielkiego Zderzacza Hadronów detektor CMS także przechodzi przegląd, instaluje się tam zupełnie nową warstwę tzw. detektorów pikselowych, dodaje komory mionowe w obszarze małych kątów rozpraszania i modernizuje odczyt kalorymetrów. Wszystko to zmierza do zwiększenia rozdzielczości detektora, przygotowania go do przyszłej pracy w warunkach znacznie większej intensywności wiązki.

Kluczowym elementem detektora jest potężny elektromagnes, jego cewka ma średnicę ponad 6 metrów i długość 13 metrów. We wnętrzu tej cewki wytwarza się pole magnetyczne o natężeniu 4 tesli. Jak podkreśla dr Piotr Traczyk, nie ma drugiego  elektromagnesu na świecie, który jest w stanie wytworzyć tak silne pole magnetyczne w tak dużej objętości. Natężenie prądu w jego obwodach sięga 20000 amperów. Co istotne, układy rejestrujące cząstki są także na zewnątrz magnesu, konstrukcja detektora sprawia, że i tam to pole się utrzymuje. Wszystko to dzięki stali użytej do jego budowy. Silne pole zakrzywia tor ruchu naładowanych cząstek i dzięki temu umożliwia ich rozróżnianie. Im tor jest bardziej zakrzywiony, tym identyfikacja cząstek jest łatwiejsza. 

Detektory CMS i ATLAS (który też ujawnił cząstkę Higgsa) prowadzą między sobą zdrową konkurencję – podkreślają naukowcy. Przez cały czas utrzymywana jest szczelność informacyjna obu eksperymentów. Dzięki temu można wykorzystać fakt, że obserwacje prowadzone są w nich nieco innymi metodami i pozwalają się nawzajem weryfikować. Porównujemy swoje wyniki dopiero wtedy, kiedy one stają się oficjalne, gdy wychodzą z fazy wewnętrznej recenzji – podkreśla dr hab. Paweł Bruckman de Renstrom – do tego momentu są ściśle tajne i dostępne tylko dla naukowców danego eksperymentu. To co jest najważniejsze to fakt, że oba eksperymenty pokazują ostatecznie to samo. Tak było w przypadku odkrycia bozonu Higgsa, oba eksperymenty zobaczyły cząstkę o takie samej masie. To już nie mógł być przypadek. 

W detektorze CMS dochodzi do 40 milionów zderzeń paczek protonów na sekundę. To daje przeciętnie około 2 miliardów zderzeń na sekundę. Co 25 nanosekund wykonuje się zdjęcie, które dokumentuje ich produkty. Rozmiar takiego zdjęcia to około 1 megabajta. Nie ma żadnych możliwości, by to wszystko zapisać. Kluczowe znaczenie ma wybranie tych zderzeń, których skutki mogą być interesujące, pozostałe dane się po prostu wyrzuca. Z 40 milionów zderzeń na sekundę specjalny, dwustopniowy system elektroniczny wybiera około tysiąca, które zostaną zapisane i analizowane. Praca tego systemu decyduje o sukcesie całego przedsięwzięcia, jeśli będzie pomijał ważne zderzenia, do żadnych odkryć naukowych nie dojdzie. 

Do tej pory zajmowała się tym aparatura wymyślona w Polsce, w grupie warszawskiej, budowana od około 2000 roku – mówi dr Karol Buńkowski z Uniwersytetu Warszawskiego. Teraz zastąpi ją nowa aparatura, zajmująca znacznie mniej miejsca. Wyraźnie widać skutki miniaturyzacji, wcześniej potrzeba było 12 paneli, teraz wystarczy 5. Możliwości obliczeniowe są przy tym większe, mocniejsze procesory umożliwiają zastosowanie “mocniejszych” algorytmów. To konieczne, bo po zwiększeniu świetlności akceleratora zderzeń będzie jeszcze więcej. 40 milionów razy na sekundę będzie się zderzać nie 30 – jak do tej pory – ale 300 protonów. Po to by na jednym zdjęciu zinterpretować wszystkie produkty zderzeń trzeba mieć nie tylko detektory o większej rozdzielczości, ale i większe możliwości obliczeniowe. 

W październiku 2019 roku przedstawiciele polskich mediów, korzystając z długiej przerwy modernizacyjnej LHC, mieli możliwość zwiedzania akceleratora. CERN poprzez swoich przedstawicieli w EPPCN (European Particle Physics Communication Network) zaprasza dziennikarzy z krajów członkowskich i stowarzyszonych do odwiedzenia swej siedziby, w szczególności zapoznania się z udziałem naukowców z danego kraju w prowadzonych tam badaniach. Podczas dwudniowej wizyty polscy dziennikarze reprezentujący prasę, radio i media online zwiedzili dwa spośród wielkich eksperymentów na Wielkim Zderzaczu Hadronów, CMS i ALICE, tunel samego akceleratora, a także inne laboratoria i projekty ze znaczącym udziałem polskich grup badawczych. Wszędzie byli oprowadzani przez polskich ekspertów.