ALICE-Experiment - ALICE experiment

Koordinaten : 46°15′04.8″N 6°01′12.5″E / 46,251333°N 6,020139°O / 46.251333; 6.020139

ALICE, ein Large-Ion-Collider-Experiment
ALICE all.jpg
Gesamtansicht des ALICE-Detektors
Formation Absichtserklärung eingereicht im Juli 1993
Hauptquartier Genf , Schweiz
Liste der ALICE-Sprecher
Luciano Musa
Federico Antinori
Paolo Giubellino
Jürgen Schukraft
Webseite http://aliceinfo.cern.ch/
Large Hadron Collider
(LHC)
LHC.svg
LHC-Experimente
ATLAS Ein toroidförmiger LHC-Apparat
CMS Kompaktes Myon-Magnetventil
LHCb LHC-Schönheit
ALICE Ein großes Ionenbeschleuniger-Experiment
TOTEM Gesamtquerschnitt, elastische Streuung und Beugungsdissoziation
LHCf LHC-Vorwärts
MoEDAL Monopol- und Exotendetektor am LHC
FASER Forward Search ExpeRiment
SND Streu- und Neutrinodetektor
LHC-Vorbeschleuniger
p und Pb Linearbeschleuniger für Protonen (Linac 4) und Blei (Linac 3)
(nicht gekennzeichnet) Proton-Synchrotron-Booster
PS Proton-Synchrotron
SPS Super Proton Synchrotron

ALICE ( A Large Ion Collider Experiment ) ist eines von acht Detektorexperimenten am Large Hadron Collider am CERN . Die anderen sieben sind: ATLAS , CMS , TOTEM , LHCb , LHCf , MoEDAL und FASER .

Einführung

Computergenerierte Schnittansicht von ALICE mit den 18 Detektoren des Experiments.

ALICE ist optimiert, um Schwerionen- Kollisionen ( Pb-Pb- Kerne ) bei einer Schwerpunktsenergie von bis zu 5,02 TeV pro Nukleonenpaar zu untersuchen . Die resultierende Temperatur und Energiedichte ermöglichen die Erforschung von Quark-Gluonen-Plasma , einem fünften Aggregatzustand, in dem Quarks und Gluonen freigesetzt werden. Es wird angenommen, dass ähnliche Bedingungen einen Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall existierten, bevor Quarks und Gluonen miteinander verbunden wurden, um Hadronen und schwerere Teilchen zu bilden .

ALICE konzentriert sich auf die Physik stark wechselwirkender Materie bei extremen Energiedichten. Die Eigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas und das Verständnis der Quark- Deconfinement sind Schlüsselthemen der Quantenchromodynamik (QCD). Die von ALICE erhaltenen Ergebnisse bestätigen das Verständnis der Farbbegrenzung und der Wiederherstellung der chiralen Symmetrie . Die Nachbildung der Urform der Materie, des Quark-Gluon-Plasmas , und das Verständnis ihrer Entwicklung sollen Aufschluss über die Organisation von Materie, den Mechanismus, der Quarks und Gluonen einschließt, und die Natur starker Wechselwirkungen und wie sie zur Erzeugung der Masse der gewöhnlichen Materie.

Die Quantenchromodynamik (QCD) sagt voraus, dass es bei ausreichend hohen Energiedichten einen Phasenübergang von konventioneller hadronischer Materie, bei der Quarks in Kernpartikeln eingeschlossen sind, zu einem Plasma aus entgrenzten Quarks und Gluonen gibt. Es wird angenommen, dass die Umkehrung dieses Übergangs stattgefunden hat, als das Universum erst 10 −6 s alt war und noch heute in den Herzen kollabierender Neutronensterne oder anderer astrophysikalischer Objekte eine Rolle spielen könnte.

Geschichte

Die Idee, einen dedizierten Schwerionendetektor für den LHC zu bauen, wurde erstmals auf dem historischen Evian-Treffen "Towards the LHC Experimental Programme" im März 1992 ausgestrahlt. Aus den dort vorgestellten Ideen wurde die ALICE-Kollaboration und 1993 ein Letter of Zinsen wurden eingereicht.

ALICE wurde erstmals 1993 als zentraler Detektor vorgeschlagen und später durch ein zusätzliches Vorwärts-Myonen-Spektrometer ergänzt, das 1995 entwickelt wurde. 1997 erhielt ALICE grünes Licht vom LHC-Komitee, um mit dem endgültigen Design und Bau fortzufahren.

Die ersten zehn Jahre verbrachten wir mit Design und umfangreichen F&E-Anstrengungen. Wie bei allen anderen LHC-Experimenten war von Anfang an klar, dass auch die Herausforderungen der Schwerionenphysik am LHC mit der bestehenden Technik nicht wirklich zu bewältigen (und zu bezahlen) waren. Um auf dem Boden zu bauen, was sich Physiker für ihre Experimente auf dem Papier ausgedacht hatten, wären erhebliche Fortschritte und in einigen Fällen ein technologischer Durchbruch erforderlich. Die anfangs sehr breit angelegten und später fokussierteren, gut organisierten und gut unterstützten F&E-Anstrengungen, die den größten Teil der 1990er Jahre andauerten, haben zu vielen evolutionären und einigen revolutionären Fortschritten in den Bereichen Detektoren, Elektronik und Computer geführt.

Die Entwicklung eines speziellen Schwerionenexperiments in den frühen 90er Jahren für den Einsatz am LHC etwa 15 Jahre später stellte einige gewaltige Herausforderungen. Der Detektor musste universell einsetzbar sein – in der Lage sein, die meisten Signale von potenziellem Interesse zu messen, auch wenn ihre Relevanz erst später offensichtlich wird – und flexibel sein, um Ergänzungen und Modifikationen auf dem Weg zu ermöglichen, wenn sich neue Wege der Untersuchung eröffnen würden. In beiden Punkten schnitt ALICE recht gut ab, da es eine Reihe von Observables in sein anfängliches Menü aufgenommen hatte, deren Bedeutung erst später klar wurde. Verschiedene wichtige Detektionssysteme wurden hinzugefügt, vom Myon-Spektrometer im Jahr 1995 über die Übergangsstrahlungsdetektoren im Jahr 1999 bis hin zu einem großen Jet-Kalorimeter im Jahr 2007.

ALICE zeichnete Daten der ersten Blei-Blei-Kollisionen am LHC im Jahr 2010 auf. Datensätze, die während der Schwerionenperioden in den Jahren 2010 und 2011 aufgenommen wurden, sowie Proton-Blei-Daten aus dem Jahr 2013 bieten eine hervorragende Grundlage für eine eingehende Untersuchung der Physik des Quark-Gluon-Plasmas.

Ab 2014 Nach mehr als drei Jahren erfolgreichem Betrieb steht der ALICE-Detektor während der langen Stilllegung [LS1] des Beschleunigerkomplexes des CERN vor einem umfangreichen Konsolidierungs- und Modernisierungsprogramm. Ein neuer Subdetektor namens Dijet-Kalorimeter (DCAL) wird installiert und alle 18 bestehenden ALICE-Subdetektoren werden aufgerüstet. Auch die Infrastruktur von ALICE einschließlich der Elektro- und Kühlsysteme wird umfangreich saniert. Die Fülle veröffentlichter wissenschaftlicher Ergebnisse und das sehr intensive Upgrade-Programm von ALICE haben zahlreiche Institute und Wissenschaftler aus der ganzen Welt angezogen. Heute hat die ALICE Collaboration mehr als 1800 Mitglieder aus 176 Instituten in 41 Ländern

Schwerionenkollisionen am LHC

Die Suche nach Quark-Gluon-Plasma und ein tieferes Verständnis der QCD begannen in den 1980er Jahren am CERN und Brookhaven mit leichteren Ionen. Das heutige Programm in diesen Labors hat sich zu ultrarelativistischen Kollisionen von Schwerionen entwickelt und erreicht gerade die Energieschwelle, bei der der Phasenübergang erwartet wird. Der LHC mit einer Schwerpunktsenergie von etwa 5,5 TeV/Nukleon wird die Energiereichweite noch weiter vorantreiben.

Bei Frontalkollisionen von Bleiionen am LHC prallen Hunderte von Protonen und Neutronen mit Energien von einigen TeV aufwärts aufeinander. Bleiionen werden auf mehr als 99,9999 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und Kollisionen am LHC sind 100-mal energiereicher als die von Protonen – die Materie im Wechselwirkungspunkt wird auf eine Temperatur erhitzt, die fast 100.000-mal höher ist als die Temperatur im Kern von Die Sonne.

Wenn die beiden Bleikerne ineinander prallen, geht Materie für einen kurzen Moment in ein Tröpfchen Urmaterie über, das sogenannte Quark-Gluon-Plasma, von dem angenommen wird, dass es wenige Mikrosekunden nach dem Urknall das Universum gefüllt hat.

Das Quark-Gluon-Plasma entsteht, indem Protonen und Neutronen in ihre elementaren Bestandteile "schmelzen", Quarks und Gluonen werden asymptotisch frei. Das Tröpfchen von QGP kühlt sofort ab und die einzelnen Quarks und Gluonen (zusammen als Partonen bezeichnet ) rekombinieren zu einem Schneesturm gewöhnlicher Materie, der in alle Richtungen rast . Die Trümmer enthalten Partikel wie Pionen und Kaonen , die aus einem Quark und einem Antiquark bestehen ; Protonen und Neutronen , bestehend aus drei Quarks; und sogar reichlich Antiprotonen und Antineutronen , die sich verbinden können, um die Kerne von Antiatomen so schwer wie Helium zu bilden. Man kann viel lernen, wenn man die Verteilung und Energie dieser Trümmer untersucht.

Erste Blei-Lead-Kollisionen

Einer der ersten Blei-Ionen-Kollisionen des LHC, wie er vom ALICE-Detektor aufgezeichnet wurde.

Der Large Hadron Collider zerschmetterte seine ersten Bleiionen im Jahr 2010, am 7. November gegen 12:30 Uhr MEZ.

Die ersten Kollisionen im Zentrum der ALICE-, ATLAS- und CMS-Detektoren ereigneten sich weniger als 72 Stunden, nachdem der LHC seinen ersten Protonenlauf beendet und auf beschleunigende Bleiionenstrahlen umgeschaltet hatte. Jeder Bleikern enthält 82 Protonen, und der LHC beschleunigt jedes Proton auf eine Energie von 3,5 TeV, was zu einer Energie von 287 TeV pro Strahl oder einer Gesamtstoßenergie von 574 TeV führt.

Bei jeder Kollision wurden bis zu 3.000 geladene Teilchen emittiert, hier als vom Kollisionspunkt ausgehende Linien dargestellt. Die Farben der Linien zeigen an, wie viel Energie jedes Teilchen von der Kollision weggetragen hat.

Proton-Blei-Kollisionen am LHC

Proton-Blei-Ionen-Kollision, aufgezeichnet vom ALICE-Experiment am 13. September 2012 bei einer Schwerpunktenergie pro kollidierendem Nukleon-Nukleon-Paar von 5,02 TeV.

Im Jahr 2013 kollidierte der LHC Protonen mit Bleiionen für die ersten Physikstrahlen des LHC von 2013. Das Experiment wurde mit gegenläufigen Strahlen von Protonen und Bleiionen durchgeführt und mit zentrierten Bahnen mit unterschiedlichen Umdrehungsfrequenzen begonnen und dann separat auf die maximale Kollisionsenergie des Beschleunigers.

Der erste Blei-Protonen-Lauf am LHC dauerte einen Monat und die Daten helfen den ALICE-Physikern, die Auswirkungen des Plasmas von Effekten zu entkoppeln, die von Effekten kalter Kernmaterie herrühren, und mehr Licht in die Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas zu bringen.

Bei Blei-Blei-Kollisionen können die Konfigurationen der Quarks und Gluonen, aus denen die Protonen und Neutronen des einfallenden Bleikerns bestehen, etwas anders sein als in den einfallenden Protonen. Um zu untersuchen, ob ein Teil der Effekte, die wir beim Vergleich von Blei-Blei- und Proton-Proton-Kollisionen sehen, auf diesen Konfigurationsunterschied und nicht auf die Bildung des Plasmas zurückzuführen ist. Proton-Blei-Kollisionen sind ein ideales Werkzeug für diese Studie.

Die ALICE-Detektoren

Eine wichtige Designüberlegung von ALICE ist die Fähigkeit, QCD und Quark-(De)confinement unter diesen extremen Bedingungen zu untersuchen. Dies geschieht durch die Verwendung von Partikeln, die innerhalb des heißen Volumens beim Ausdehnen und Abkühlen erzeugt werden und lange genug leben, um die empfindlichen Detektorschichten um den Wechselwirkungsbereich zu erreichen. Das Physikprogramm von ALICE beruht darauf, sie alle identifizieren zu können, dh zu bestimmen, ob es sich um Elektronen, Photonen, Pionen usw. handelt und um ihre Ladung zu bestimmen. Dabei werden die (manchmal leicht) unterschiedlichen Arten der Wechselwirkung von Teilchen mit Materie optimal genutzt.

In einem "traditionellen" Experiment werden Teilchen anhand der charakteristischen Signaturen, die sie im Detektor hinterlassen , identifiziert oder zumindest Familien (geladene oder neutrale Hadronen ) zugeordnet. Das Experiment ist in einige Hauptkomponenten unterteilt und jede Komponente testet einen bestimmten Satz von Partikeleigenschaften. Diese Komponenten sind in Schichten gestapelt und die Partikel durchlaufen die Schichten sequentiell vom Kollisionspunkt nach außen: zuerst ein Tracking-System, dann ein elektromagnetisches (EM) und ein hadronisches Kalorimeter und schließlich ein Myon-System. Die Detektoren sind in ein Magnetfeld eingebettet , um die Spuren geladener Teilchen zur Impuls- und Ladungsbestimmung zu biegen . Diese Methode zur Partikelidentifikation funktioniert nur für bestimmte Partikel gut und wird beispielsweise von den großen LHC- Experimenten ATLAS und CMS verwendet . Diese Technik ist jedoch nicht für die Identifizierung von Hadronen geeignet, da sie es nicht erlaubt, die verschiedenen geladenen Hadronen zu unterscheiden, die bei Pb-Pb-Kollisionen erzeugt werden.

Um alle Teilchen zu identifizieren, die aus dem System des QGP austreten, verwendet ALICE einen Satz von 18 Detektoren, die Informationen über die Masse, die Geschwindigkeit und das elektrische Vorzeichen der Teilchen liefern.

Fassverfolgung

Ein Ensemble von zylindrischen Trommeldetektoren, die den nominellen Wechselwirkungspunkt umgeben, wird verwendet, um alle Partikel zu verfolgen, die aus dem heißen, dichten Medium herausfliegen. Das Inner Tracking System (ITS) (bestehend aus drei Detektorschichten: Silicon Pixel Detector (SPD), Silicon Drift Detector (SDD), Silicon Strip Detector (SSD)), der Time Projection Chamber (TPC) und dem Transition Radiation Detector ( TRD) messen an vielen Punkten den Durchgang jedes elektrisch geladenen Teilchens und geben genaue Informationen über die Flugbahn des Teilchens. Die ALICE-Barrel-Tracking-Detektoren sind in ein Magnetfeld von 0,5 Tesla eingebettet, das von einem riesigen magnetischen Solenoid erzeugt wird, das die Flugbahnen der Partikel biegt. Aus der Krümmung der Gleise kann man ihren Schwung ableiten. Die ITS ist so präzise, ​​dass Teilchen, die durch den Zerfall anderer Teilchen mit einer langen (~ " Scheitelpunkt " des Ereignisses), sondern von einem Punkt in einer Entfernung von nur einem Zehntel Millimeter. Damit können wir beispielsweise Bottom-Quarks messen, die durch "topologische" Schnitte in ein relativ langlebiges B-Meson zerfallen.

Inneres Tracking-System

Installation des ALICE Inner Tracking Systems

Die kurzlebigen schweren Teilchen legen eine sehr kleine Strecke zurück, bevor sie zerfallen. Dieses System zielt darauf ab, diese Zerfallsphänomene zu identifizieren, indem es den Ort ihres Auftretens mit einer Genauigkeit von einem Zehntel Millimeter misst.

Das Inner Tracking System (ITS) besteht aus sechs zylindrischen Schichten von Siliziumdetektoren . Die Schichten umschließen den Kollisionspunkt und messen die Eigenschaften der aus den Kollisionen austretenden Partikel und bestimmen ihre Durchtrittsposition auf den Bruchteil eines Millimeters. Mit Hilfe des ITS können Teilchen mit schweren Quarks (Charm und Beauty) identifiziert werden, indem die Koordinaten rekonstruiert werden, an denen sie zerfallen.

ITS-Schichten (gezählt vom Interaktionspunkt):

Der ITS wurde im März 2007 nach einer großen F&E-Phase in das Herzstück des ALICE-Experiments eingefügt. Unter Verwendung kleinster Mengen des leichtesten Materials wurde der ITS so leicht und filigran wie möglich hergestellt. Mit fast 5 m 2 doppelseitigen Siliziumstreifendetektoren und mehr als 1 m 2 Siliziumdriftdetektoren ist es das größte System, das beide Arten von Siliziumdetektoren verwendet.

ALICE hat kürzlich Pläne für ein verbessertes Inner Tracking System vorgestellt, das hauptsächlich auf dem Bau eines neuen Silizium-Trackers mit stark verbesserten Funktionen in Bezug auf die Bestimmung des Aufprallparameters (d0) auf den primären Scheitelpunkt, die Tracking-Effizienz bei niedrigem pT und die Ausleseratenfähigkeiten basiert. Der aktualisierte ITS wird neue Wege in der Untersuchung des am LHC gebildeten Quark-Gluon-Plasmas eröffnen, die notwendig sind, um die Dynamik dieser kondensierten Phase der QCD zu verstehen.

Es wird die Untersuchung des Prozesses der Thermalisierung schwerer Quarks im Medium ermöglichen, indem schwere Flavour Charmed und Beauty Baryonen gemessen und diese Messungen zum ersten Mal auf sehr niedrige p T ausgeweitet werden. Es wird auch ein besseres Verständnis der Quark-Massenabhängigkeit des Energieverlusts im Medium liefern und eine einzigartige Möglichkeit bieten, die Schönheitsquarks zu messen und gleichzeitig die Rekonstruktion des Schönheitszerfallsknotenpunkts zu verbessern. Schließlich wird uns der aktualisierte ITS die Möglichkeit geben, die vom QGP ausgehende Wärmestrahlung und die Modifikation hadronischer Spektralfunktionen im Medium im Zusammenhang mit der Wiederherstellung der chiralen Symmetrie zu charakterisieren .

Das Upgrade-Projekt erfordert von unseren Forschern und Mitarbeitern auf der ganzen Welt umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen zu Spitzentechnologien: Siliziumsensoren, stromsparende Elektronik, Verbindungs- und Verpackungstechnologien, ultraleichte mechanische Strukturen und Kühleinheiten.

Zeitprojektionskammer

Die ALICE- Zeitprojektionskammer zur Verfolgung und Identifizierung von Partikeln.

Die ALICE Time Projection Chamber (TPC) ist ein großes Volumen, das mit einem Gas als Detektionsmedium gefüllt ist und ist das Hauptgerät zur Partikelverfolgung in ALICE.

Geladene Teilchen, die das Gas des TPC durchqueren, ionisieren die Gasatome auf ihrem Weg und setzen Elektronen frei, die in Richtung der Endplatten des Detektors driften. Die Charakteristik des Ionisationsprozesses, der durch schnell geladene Teilchen durch ein Medium verursacht wird, kann zur Teilchenidentifikation genutzt werden. Die Geschwindigkeitsabhängigkeit der Ionisationsstärke hängt mit der bekannten Bethe-Bloch-Formel zusammen , die den mittleren Energieverlust geladener Teilchen durch inelastische Coulomb-Stöße mit den Atomelektronen des Mediums beschreibt.

Als Detektionsmedium werden häufig Mehrdraht-Proportionalzähler oder Solid-State-Zähler verwendet, da sie Signale mit Pulshöhen proportional zur Ionisationsstärke liefern. Ein Lawineneffekt in der Nähe der in den Auslesekammern aufgereihten Anodendrähte sorgt für die notwendige Signalverstärkung. Die in der Lawine erzeugten positiven Ionen induzieren ein positives Stromsignal auf der Pad-Ebene. Das Auslesen erfolgt durch die 557 568 Pads, die die Kathodenebene der Multi-Wire Proportional Chambers ( MWPC ) bilden, die sich an den Endplatten befinden. Daraus ergibt sich der radiale Abstand zum Strahl und der Azimut. Die letzte Koordinate, z entlang der Strahlrichtung, ergibt sich aus der Driftzeit. Da Energieverlustschwankungen erheblich sein können, werden im Allgemeinen viele Pulshöhenmessungen entlang der Partikelspur durchgeführt, um die Auflösung der Ionisationsmessung zu optimieren.

Fast das gesamte Volumen des TPC reagiert empfindlich auf die durchquerenden geladenen Teilchen, weist jedoch ein minimales Materialbudget auf. Die einfache Mustererkennung (kontinuierliche Spuren) machen TPCs zur perfekten Wahl für Umgebungen mit hoher Multiplizität, wie beispielsweise bei Schwerionenkollisionen, bei denen Tausende von Partikeln gleichzeitig verfolgt werden müssen. Im ALICE TPC wird die Ionisationsstärke aller Spuren bis zu 159 mal abgetastet, was zu einer Auflösung der Ionisationsmessung von gut 5% führt.

Übergangsstrahlungsdetektor

Der fertige ALICE-Detektor mit den achtzehn TRD-Modulen (trapezförmige Prismen in radialer Anordnung).

Elektronen und Positronen können von anderen geladenen Teilchen unter Verwendung der Emission von Übergangsstrahlung unterschieden werden , Röntgenstrahlung, die emittiert wird, wenn die Teilchen viele Schichten dünner Materialien durchqueren.

Die Identifizierung von Elektronen und Positronen erfolgt mit Hilfe eines Übergangsstrahlungsdetektors (TRD). Ähnlich wie das Myon-Spektrometer ermöglicht dieses System detaillierte Studien der Erzeugung von Vektor-Meson-Resonanzen, jedoch mit erweiterter Abdeckung bis zum Lichtvektor-Meson ρ und in einem anderen Geschwindigkeitsbereich. Unter 1 GeV/c können Elektronen über eine Kombination von Partikelidentifikationsdetektor (PID)-Messungen im TPC und Flugzeit (TOF) identifiziert werden. Im Impulsbereich von 1–10 GeV/c kann die Tatsache ausgenutzt werden, dass Elektronen TR erzeugen können, wenn sie durch einen dedizierten "Strahler" wandern. Innerhalb eines solchen Strahlers passieren schnell geladene Teilchen die Grenzen zwischen Materialien mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten, was zur Emission von TR-Photonen mit Energien im Röntgenbereich führen kann. Der Effekt ist winzig und der Strahler muss viele hundert Materialgrenzen bereitstellen, um eine ausreichend hohe Wahrscheinlichkeit zu erreichen, um mindestens ein Photon zu erzeugen. Im ALICE TRD werden die TR-Photonen direkt hinter dem Strahler mit MWPCs detektiert, die mit einem Xenon-basierten Gasgemisch gefüllt sind, wo sie ihre Energie auf die Ionisationssignale der Teilchenspur deponieren.

Das ALICE TRD wurde entwickelt, um einen schnellen Trigger für geladene Teilchen mit hohem Impuls abzuleiten und kann die aufgezeichneten Ausbeuten an Vektormesonen erheblich verbessern. Dazu sind 250.000 CPUs direkt auf dem Detektor installiert, um Kandidaten für Hochimpulsspuren zu identifizieren und die damit verbundene Energiedeposition schnellstmöglich (während die Signale noch im Detektor erzeugt werden) zu analysieren. Diese Informationen werden an eine globale Tracking-Einheit gesendet, die alle Informationen kombiniert, um innerhalb von nur 6 μs nach Elektron-Positron-Spurpaaren zu suchen.

Um einen solchen Übergangsstrahlungsdetektor (TRD) für ALICE zu entwickeln, wurden viele Detektorprototypen in gemischten Strahlen aus Pionen und Elektronen getestet .

Partikelidentifikation mit ALICE

ALICE möchte auch die Identität jedes Teilchens wissen, sei es ein Elektron oder ein Proton, ein Kaon oder ein Pion.

Geladene Hadronen (eigentlich alle stabilen geladenen Teilchen) werden eindeutig identifiziert, wenn ihre Masse und Ladung bestimmt wird. Die Masse kann aus Impuls- und Geschwindigkeitsmessungen abgeleitet werden. Den Impuls und das Vorzeichen der Ladung erhält man, indem man die Krümmung der Teilchenspur in einem Magnetfeld misst. Zur Ermittlung der Teilchengeschwindigkeit gibt es vier Methoden, die auf Flugzeit- und Ionisationsmessungen sowie auf der Detektion von Übergangsstrahlung und Cherenkov-Strahlung basieren. Jede dieser Methoden funktioniert gut in verschiedenen Impulsbereichen oder für bestimmte Teilchentypen. In ALICE können alle diese Methoden kombiniert werden, um beispielsweise Partikelspektren zu messen.

Zusätzlich zu den Informationen von ITS und TPC werden spezialisiertere Detektoren benötigt: Der TOF misst mit einer Genauigkeit von besser als einer Zehntel Milliardstelsekunde die Zeit, die jedes Teilchen benötigt, um vom Scheitelpunkt zu gelangen, um ihn zu erreichen. damit man seine Geschwindigkeit messen kann. Der High-Momentum-Particle-Identification-Detektor (HMPID) misst die schwachen Lichtmuster schneller Teilchen und der TRD misst die spezielle Strahlung, die sehr schnelle Teilchen beim Durchqueren verschiedener Materialien emittieren, und ermöglicht so die Identifizierung von Elektronen. Myonen werden gemessen, indem man sich die Tatsache zunutze macht, dass sie Materie leichter durchdringen als die meisten anderen Teilchen: Im vorderen Bereich stoppt ein sehr dicker und komplexer Absorber alle anderen Teilchen und Myonen werden von einem speziellen Satz von Detektoren gemessen: dem Myon-Spektrometer.

Flugzeit

Geladene Teilchen werden in ALICE durch Time-Of-Flight (TOF) identifiziert. TOF-Messungen liefern die Geschwindigkeit eines geladenen Teilchens, indem die Flugzeit über eine gegebene Distanz entlang der Bahntrajektorie gemessen wird. Unter Verwendung der Verfolgungsinformationen von anderen Detektoren wird jede Spur identifiziert, die einen Sensor auslöst. Sofern auch der Impuls bekannt ist, lässt sich aus diesen Messungen die Masse des Teilchens ableiten. Der ALICE TOF-Detektor ist ein großflächiger Detektor auf Basis von Multigap-Widerstandsplattenkammern (MRPCs), die eine zylindrische Oberfläche von 141 m 2 mit einem Innenradius von 3,7 Metern (12 ft) abdecken . Auf der großen Fläche von 150 m 2 sind ca. 160 000 MRPC-Pads mit einer Zeitauflösung von ca. 100 ps verteilt .

Die MRPCs sind Parallelplatten-Detektoren, die aus dünnen Scheiben von Standardfensterglas gebaut sind, um enge Gasspalten mit hohen elektrischen Feldern zu erzeugen. Diese Platten werden unter Verwendung von Angelschnüren getrennt, um den gewünschten Abstand bereitzustellen; 10 Gasspalten pro MRPC werden benötigt, um eine Detektionseffizienz nahe 100 % zu erreichen.

Die Einfachheit der Konstruktion ermöglicht den Bau eines großen Systems mit einer Gesamt-TOF-Auflösung von 80 ps zu relativ geringen Kosten (CERN Courier November 2011 S.8). Diese Leistung ermöglicht die Trennung von Kaonen, Pionen und Protonen bis zu Impulsen von wenigen GeV/c. Die Kombination einer solchen Messung mit den PID-Informationen des ALICE TPC hat sich als nützlich erwiesen, um die Trennung zwischen den verschiedenen Partikeltypen zu verbessern, wie Abbildung 3 für einen bestimmten Impulsbereich zeigt.

Partikelidentifikationsdetektor mit hohem Impuls

Der HMPID-Detektor vor der endgültigen Installation im ALICE-Magneten.

Der High Momentum Particle Identification Detector (HMPID) ist ein RICH-Detektor zur Bestimmung der Geschwindigkeit von Teilchen jenseits des verfügbaren Impulsbereichs durch Energieverlust (in ITS und TPC, p  = 600 MeV) und durch Flugzeitmessungen (in TOF, p  = 1,2–1,4 GeV).

Cherenkov-Strahlung ist eine Stoßwelle, die aus geladenen Teilchen resultiert, die sich schneller durch ein Material bewegen als die Lichtgeschwindigkeit in diesem Material. Die Strahlung breitet sich mit einem charakteristischen Winkel zur Teilchenspur aus, der von der Teilchengeschwindigkeit abhängt. Cherenkov-Detektoren machen sich diesen Effekt zunutze und bestehen im Allgemeinen aus zwei Hauptelementen: einem Strahler, in dem Cherenkov-Strahlung erzeugt wird, und einem Photonendetektor. Ring Imaging Cherenkov (RICH) Detektoren lösen das ringförmige Bild der fokussierten Cherenkov-Strahlung auf und ermöglichen so eine Messung des Cherenkov-Winkels und damit der Teilchengeschwindigkeit. Dies wiederum reicht aus, um die Masse des geladenen Teilchens zu bestimmen.

Bei Verwendung eines dichten Mediums (großer Brechungsindex) ist nur eine dünne Strahlerschicht in der Größenordnung von wenigen Zentimetern erforderlich, um eine ausreichende Anzahl von Cherenkov-Photonen zu emittieren. Der Photonendetektor befindet sich dann in einiger Entfernung (normalerweise etwa 10 cm) hinter dem Strahler, wodurch sich der Lichtkegel ausdehnt und das charakteristische ringförmige Bild bildet. Ein solcher nahfokussierender RICH ist im ALICE-Experiment installiert.

Der Impulsbereich von ALICE HMPID beträgt bis zu 3 GeV für die Pion/ Kaon- Unterscheidung und bis zu 5 GeV für die Kaon/ Proton- Unterscheidung. Er ist der weltweit größte Cäsiumiodid- RICH-Detektor mit einer aktiven Fläche von 11 m². Ein Prototyp wurde 1997 am CERN erfolgreich getestet und nimmt derzeit Daten am Relativistic Heavy Ion Collider des Brookhaven National Laboratory in den USA auf.

Kalorimeter

Kalorimeter messen die Energie von Teilchen und bestimmen, ob sie elektromagnetische oder hadronische Wechselwirkungen aufweisen. Die Partikelidentifikation in einem Kalorimeter ist eine destruktive Messung. Alle Teilchen außer Myonen und Neutrinos deponieren ihre gesamte Energie im Kalorimetersystem durch Erzeugung elektromagnetischer oder hadronischer Schauer. Photonen, Elektronen und Positronen deponieren ihre gesamte Energie in einem elektromagnetischen Kalorimeter. Ihre Schauer sind nicht zu unterscheiden, aber ein Photon kann durch das Fehlen einer Spur im Tracking-System identifiziert werden, die der Schauer zugeordnet ist.

Die Photonen (Lichtteilchen) verraten uns wie das von einem heißen Objekt emittierte Licht die Temperatur des Systems. Um sie zu messen, sind spezielle Detektoren erforderlich: Die Kristalle des PHOS, die so dicht wie Blei und so transparent wie Glas sind, messen sie mit fantastischer Präzision in einem begrenzten Bereich, während der PMD und insbesondere der EMCal sie über messen ein sehr weites Gebiet. Der EMCal misst auch Gruppen von nahen Partikeln (sogenannte "Jets"), die sich an die frühen Phasen des Ereignisses erinnern.

Photonenspektrometer

In enger Zusammenarbeit zwischen CERN, dem Werk Apatity und dem RRC "Kurchatov Institute" wurde eine Technologie zur Massenproduktion von PWO-Kristallen entwickelt.

PHOS ist ein hochauflösendes elektromagnetisches Kalorimeter, das in ALICE installiert ist, um Daten zum Testen der thermischen und dynamischen Eigenschaften der Anfangsphase der Kollision bereitzustellen. Dies geschieht durch die Messung von Photonen, die direkt aus der Kollision hervorgehen. PHOS deckt einen begrenzten Akzeptanzbereich mit zentraler Schnelligkeit ab. Es besteht aus Bleiwolframatkristallen , ähnlich denen von CMS, die mit Avalanche Photodioden (APD) ausgelesen werden.

Wenn hochenergetische Photonen auf Bleiwolframat treffen, lassen sie es leuchten oder szintilieren, und dieses Leuchten kann gemessen werden. Bleiwolframat ist extrem dicht (dichter als Eisen) und stoppt die meisten Photonen, die es erreichen. Die Kristalle werden auf einer Temperatur von 248 K gehalten, was dazu beiträgt, die Verschlechterung der Energieauflösung durch Rauschen zu minimieren und das Ansprechverhalten für niedrige Energien zu optimieren.

Elektromagnetisches Kalorimeter

Das EMCal ist ein Blei-Szintillator-Sampling-Kalorimeter, das aus fast 13.000 einzelnen Türmen besteht, die in zehn Supermodule gruppiert sind. Die Türme werden durch wellenlängenverschiebende optische Fasern in einer Shashlik-Geometrie ausgelesen, die mit einer Avalanche-Photodiode gekoppelt sind. Das komplette EMCal wird 100.000 einzelne Szintillatorkacheln und 185 Kilometer Glasfaser mit einem Gesamtgewicht von etwa 100 Tonnen enthalten.

Der EMCal deckt fast die gesamte Länge der ALICE-Zeitprojektionskammer und des Zentraldetektors ab, und ein Drittel seines Azimuts ist Rücken an Rücken mit dem ALICE-Photonenspektrometer platziert – einem kleineren, hochgranularen Blei-Wolframat-Kalorimeter.

Die Supermodule werden in einen eigenständigen Tragrahmen eingeschoben, der sich innerhalb des ALICE-Magneten zwischen den Flugzeitzählern und der Magnetspule befindet. Der Tragrahmen selbst ist eine komplexe Konstruktion: Er wiegt 20 Tonnen und muss das Fünffache seines Eigengewichts tragen, wobei die maximale Auslenkung zwischen leer und voll beladen nur wenige Zentimeter beträgt. Der Einbau der acht Tonnen schweren Supermodule erfordert ein Schienensystem mit einer ausgeklügelten Einlegevorrichtung zur Überbrückung zur Tragkonstruktion.

Das Elektro-Magnetische Kalorimeter (EM-Cal) wird die Möglichkeiten zur Messung von Partikeln mit hohem Impuls von ALICE erheblich verbessern. Es wird die Reichweite von ALICE erweitern, um Jets und andere harte Prozesse zu untersuchen.

Photonenmultiplizitätsdetektor

Der Photon Multiplicity Detector (PMD) ist ein Particle Shower Detektor, der die Multiplizität und räumliche Verteilung der bei den Kollisionen erzeugten Photonen misst. Es verwendet als erste Schicht einen Veto-Detektor, um geladene Teilchen zurückzuweisen. Photonen hingegen passieren einen Konverter und lösen einen elektromagnetischen Schauer in einer zweiten Detektorschicht aus, wo sie auf mehreren Zellen seines empfindlichen Volumens große Signale erzeugen. Hadronen hingegen beeinflussen normalerweise nur eine Zelle und erzeugen ein Signal, das minimal ionisierende Teilchen darstellt.

Vorwärts-Multiplizitätsdetektor

ALICE Vorwärts-Multiplizitätsdetektor

Der Forward Multiplicity Detector (FMD) erweitert die Abdeckung für die Multiplizität von Ladungsteilchen in die vorderen Regionen – was ALICE die breiteste Abdeckung der 4 LHC-Experimente für diese Messungen gibt.

Das FMD besteht aus 5 großen Siliziumscheiben mit jeweils 10 240 einzelnen Detektorkanälen, um die geladenen Teilchen zu messen, die unter kleinen Winkeln relativ zum Strahl emittiert werden. FMD bietet eine unabhängige Messung der Ausrichtung der Kollisionen in der vertikalen Ebene, die mit Messungen des Barrel-Detektors zur Untersuchung von Strömungen, Jets usw. verwendet werden kann.

Myon-Spektrometer

Das Vorwärts-Myonen-Spektrometer ALICE untersucht das komplette Spektrum schwerer Quarkonien (J/Ψ, Ψ′, ϒ, ϒ′, ϒ′′) über deren Zerfall im μ+μ–-Kanal. Schwere Quarkonium-Zustände stellen ein wesentliches Werkzeug dar, um das frühe und heiße Stadium von Schwerionenkollisionen zu untersuchen. Insbesondere wird erwartet, dass sie empfindlich auf die Bildung von Quark-Gluon-Plasma reagieren. In Gegenwart eines dekonfinierten Mediums (zB QGP) mit ausreichend hoher Energiedichte werden Quarkoniumzustände aufgrund der Farbrasterung dissoziiert. Dies führt zu einer Unterdrückung ihrer Produktionsraten. Bei der hohen LHC-Kollisionsenergie können sowohl die Charmoniium-Zustände (J/Ψ und Ψ′) als auch die Bottomonium-Zustände (ϒ, ϒ′ und ϒ′′) untersucht werden. Das Dimuon-Spektrometer ist für die Detektion dieser schweren Quark-Resonanzen optimiert.

Die Hauptkomponenten des ALICE Myon-Spektrometers: ein Absorber zum Filtern des Hintergrunds, eine Reihe von Tracking-Kammern vor, innerhalb und nach dem Magneten und eine Reihe von Triggerkammern.

Myonen können mit der soeben beschriebenen Technik identifiziert werden, indem man die Tatsache nutzt, dass sie die einzigen geladenen Teilchen sind, die fast ungestört jedes Material passieren können. Dieses Verhalten hängt damit zusammen, dass Myonen mit Impulsen unter einigen hundert GeV/c keine Strahlungsenergieverluste erleiden und somit keine elektromagnetischen Schauer erzeugen. Da sie Leptonen sind, unterliegen sie auch keinen starken Wechselwirkungen mit den Kernen des Materials, das sie durchqueren. Dieses Verhalten wird in Myon-Spektrometern in Hochenergie-Physik-Experimenten ausgenutzt, indem Myon-Detektoren hinter den Kalorimetersystemen oder hinter dicken Absorbermaterialien installiert werden. Alle geladenen Teilchen außer Myonen werden vollständig gestoppt und erzeugen elektromagnetische (und hadronische) Schauer.

Das Myonenspektrometer im vorderen Bereich von ALICE verfügt über einen sehr dicken und komplexen Frontabsorber und einen zusätzlichen Myonenfilter bestehend aus einer 1,2 m dicken Eisenwand. Myon-Kandidaten, die aus Spuren ausgewählt werden, die diese Absorber durchdringen, werden in einem speziellen Satz von Tracking-Detektoren präzise gemessen. Myonenpaare werden verwendet, um das Spektrum der Heavy-Quark-Vektor-Meson-Resonanzen (J/Psi) zu sammeln. Ihre Produktionsraten können als Funktion des Transversalimpulses und der Kollisionszentralität analysiert werden, um Dissoziationen aufgrund von Farbrasterungen zu untersuchen. Die Akzeptanz des ALICE-Myon-Spektrometers deckt das Pseudorapiditätsintervall 2,5 ≤ η ≤ 4 ab und die Resonanzen können bis zu einem Transversalimpuls von Null nachgewiesen werden.

Charakterisierung der Kollision

Schließlich müssen wir wissen, wie stark die Kollision war: Dies geschieht durch Messung der Überreste der kollidierenden Kerne in Detektoren aus hochdichten Materialien, die sich etwa 110 Meter auf beiden Seiten von ALICE (den ZDCs) befinden, und durch Messungen mit dem FMD, V0 und T0 die Anzahl der bei der Kollision erzeugten Teilchen und deren räumliche Verteilung. T0 misst auch mit hoher Präzision den Zeitpunkt, zu dem das Ereignis stattfindet.

Null-Grad-Kalorimeter

Vorderseite des ZN-Kalorimeters: Eines der beiden ZN-Kalorimeter bei der Montage. Die Quarzfasern sind in den 1936er Rillen der W-Legierungsplatten untergebracht.

Die ZDCs sind Kalorimeter, die die Energie der Zuschauernukleonen erfassen, um den Überlappungsbereich der beiden kollidierenden Kerne zu bestimmen. Es besteht aus vier Kalorimetern, zwei zum Nachweis von Protonen (ZP) und zwei zum Nachweis von Neutronen (ZN). Sie befinden sich auf beiden Seiten 115 Meter vom Interaktionspunkt entfernt, genau entlang der Strahllinie. Das ZN wird in Bezug auf die LHC-Strahlachse auf null Grad zwischen den beiden Strahlrohren platziert. Deshalb nennen wir sie Zero Degree Calorimeter (ZDC). Das ZP wird außen am abgehenden Strahlrohr positioniert. Die Zuschauerprotonen werden mit Hilfe des Dipolmagneten D1 von den Ionenstrahlen getrennt.

Die ZDCs sind "Spaghetti-Kalorimeter", die aus einem Stapel schwerer Metallplatten bestehen, die gerillt sind, um eine Matrix aus Quarzfasern zuzuordnen. Ihr Funktionsprinzip basiert auf der Detektion von Cherenkov-Licht, das von den geladenen Teilchen des Schauers in den Fasern erzeugt wird.

V0-Detektor

V0 besteht aus zwei Arrays von Szintillatorzählern, die auf beiden Seiten des ALICE-Interaktionspunkts angeordnet sind und V0-A und V0-C genannt werden. Der V0-C-Zähler befindet sich stromaufwärts des Dimuonarm-Absorbers und deckt die Spektrometeraufnahme ab, während der V0-A-Zähler etwa 3,5 m vom Kollisionsscheitel entfernt auf der anderen Seite platziert wird.

Es wird verwendet, um die Zentralität der Kollision abzuschätzen, indem die in den beiden Scheiben von V0 deponierte Energie summiert wird. Diese Observable skaliert direkt mit der Anzahl der bei der Kollision erzeugten Primärteilchen und damit mit der Zentralität.

V0 wird auch als Referenz in Van-Der-Meer-Scans verwendet, die die Größe und Form kollidierender Strahlen und damit die dem Experiment zugeführte Leuchtkraft angeben.

T0-Detektor

Ein Array von Cherenkov-Zählern, die im ALICE T0-Detektor verwendet werden.

ALICE T0 dient als Start-, Trigger- und Helligkeitsdetektor für ALICE. Die genaue Wechselwirkungszeit (START) dient als Referenzsignal für den Time-of-Flight-Detektor, der zur Partikelidentifikation verwendet wird. T0 liefert fünf verschiedene Triggersignale an den zentralen Triggerprozessor. Der wichtigste davon ist der T0-Scheitelpunkt, der eine schnelle und genaue Bestätigung der Lage des primären Interaktionspunkts entlang der Balkenachse innerhalb der festgelegten Grenzen liefert. Der Detektor wird auch für die Online-Helligkeitsüberwachung verwendet, die dem Beschleunigerteam ein schnelles Feedback liefert.

Der T0-Detektor besteht aus zwei Arrays von Cherenkov- Zählern (T0-C und T0-A), die an den gegenüberliegenden Seiten des Interaktionspunktes (IP) positioniert sind. Jedes Array hat 12 zylindrische Zähler, die mit einem Quarzstrahler und einer Photomultiplier-Röhre ausgestattet sind.

ALICE-Detektor für kosmische Strahlung (ACORDE)

Die ALICE-Höhle bietet einen idealen Ort für den Nachweis von hochenergetischen atmosphärischen Myonen, die von kosmischen Strahlenschauern stammen. Acorde erkennt kosmische Strahlenschauer, indem es die Ankunft von Myonen an der Spitze des ALICE-Magneten auslöst.

Der ALICE-Auslöser für kosmische Strahlung besteht aus 60 Szintillatormodulen, die auf den 3 Oberseiten des ALICE-Magnetjochs verteilt sind. Das Array kann so konfiguriert werden, dass es auf Einzel- oder Multi-Myon-Ereignisse triggert, von 2-fachen Koinzidenzen bis hin zum gesamten Array, falls gewünscht. Die hohe Leuchtkraft von Acorde ermöglicht die Aufzeichnung kosmischer Ereignisse mit einer sehr hohen Vielzahl paralleler Myonenspuren, den sogenannten Myon-Bündeln.

Mit Acorde ist es dem ALICE-Experiment gelungen, Myonenbündel mit der höchsten jemals registrierten Multiplizität nachzuweisen sowie indirekt sehr hochenergetische primäre kosmische Strahlung zu messen.

Datenerfassung

ALICE musste ein Datenerfassungssystem entwickeln, das in zwei sehr unterschiedlichen Betriebsmodi effizient arbeitet: den sehr häufigen, aber kleinen Ereignissen mit wenigen produzierten Teilchen, die während der Proton-Proton-Kollisionen angetroffen werden, und den relativ seltenen, aber extrem großen Ereignissen mit Zehntausenden von neue Teilchen bei Blei-Blei-Kollisionen am LHC erzeugt (L = 10 27 cm −2 s −1 in Pb-Pb mit 100 ns Bündelkreuzungen und L = 10 30 -10 31 cm −2 s −1 in pp mit 25 ns Bündelkreuzungen).

Das ALICE-Datenerfassungssystem muss seine Kapazität zur Aufzeichnung des stetigen Stroms sehr großer Ereignisse, die aus zentralen Kollisionen resultieren, mit der Fähigkeit zur Auswahl und Aufzeichnung seltener Querschnittsprozesse ausbalancieren. Diese Anforderungen führen zu einer aggregierten Event-Building-Bandbreite von bis zu 2,5 GByte/s und einer Speicherkapazität von bis zu 1,25 GByte/s, was insgesamt mehr als 1 PByte Daten pro Jahr ergibt. Wie die Abbildung zeigt, benötigt ALICE eine Datenspeicherkapazität, die die der aktuellen Experimentgeneration bei weitem übersteigt. Diese Datenrate entspricht dem Sechsfachen des Inhalts der Encyclopædia Britannica pro Sekunde.

Die Hardware des ALICE DAQ-Systems basiert weitgehend auf handelsüblichen Komponenten: PCs mit Linux und Standard-Ethernet-Switches für das Eventbuilding-Netzwerk. Die erforderliche Leistung wird durch die Verbindung von Hunderten dieser PCs zu einer großen DAQ-Struktur erreicht. Das Software-Framework des ALICE DAQ heißt DATE (ALICE Data Acquisition and Test Environment). DATE wird bereits heute während der Konstruktions- und Testphase des Experiments eingesetzt und entwickelt sich schrittweise zum endgültigen Produktionssystem. Darüber hinaus ist AFFAIR (A Flexible Fabric and Application Information Recorder) die vom ALICE Data Acquisition-Projekt entwickelte Leistungsüberwachungssoftware. AFFAIR basiert weitgehend auf Open Source Code und setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen: Datenerfassung, Kommunikation zwischen Knoten mittels DIM, schnelle und temporäre Round-Robin-Datenbankspeicherung sowie permanente Speicherung und Plotgenerierung mittels ROOT.

Schließlich. das ALICE-Experiment Mass Storage System (MSS) kombiniert eine sehr hohe Bandbreite (1,25 GByte/s) und speichert jedes Jahr riesige Datenmengen, mehr als 1 PByte. Das Massenspeichersystem besteht aus: a) Global Data Storage (GDS), der die temporäre Speicherung von Daten in der Experimentiergrube durchführt; b) Permanent Data Storage (PDS) für die Langzeitarchivierung von Daten im CERN-Rechenzentrum und schließlich von der Software The Mass Storage System, die die Erstellung, den Zugriff und die Archivierung von Daten verwaltet.

Ergebnisse

Ereignisse, die vom ALICE-Experiment von den ersten Bleiionenkollisionen aufgezeichnet wurden, bei einer Schwerpunktenergie von 2,76 TeV pro Nukleonenpaar.

Das Physikprogramm von ALICE umfasst folgende Themenschwerpunkte: i) das Studium der Thermalisierung von Partonen im QGP mit Fokus auf die massiven charmanten Beauty-Quarks und das Verständnis des Verhaltens dieser schweren Quarks in Bezug auf das stark gekoppelte Medium von QGP, ii) die Untersuchung der Mechanismen des Energieverlusts, die im Medium auftreten, und der Abhängigkeiten des Energieverlusts von der Partonspezies, iii) die Dissoziation von Quarkoniumzuständen, die eine Sonde für die Dekonfinierung und die Temperatur des Mediums sein können, und schließlich die Produktion von thermischen Photonen und massearmen Dileptonen, die vom QGP emittiert werden, wobei es um die Bewertung der Anfangstemperatur und der Freiheitsgrade der Systeme sowie der chiralen Natur des Phasenübergangs geht.

Die ALICE-Kollaboration präsentierte im März 2010 ihre ersten Ergebnisse von LHC-Protonenkollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV. Die Ergebnisse bestätigten, dass die Multiplizität geladener Teilchen mit Energie schneller als erwartet ansteigt, während die Form der Multiplizitätsverteilung durch Standardsimulationen nicht gut reproduziert. Die Ergebnisse basierten auf der Analyse einer Probe von 300.000 Proton-Proton-Kollisionen, die das ALICE-Experiment während der ersten Durchläufe des LHC mit stabilen Strahlen bei einer Schwerpunktenergie √s von 7 TeV gesammelt hatte.

Im Jahr 2011 maß die ALICE-Kollaboration die Größe des Systems, das bei Pb-Pb-Kollisionen bei einer Schwerpunktenergie von 2,76 TeV pro Nukleonenpaar entsteht. ALICE bestätigte, dass sich die bei Pb-Pb-Kollisionen erzeugte QCD-Materie wie eine Flüssigkeit verhält, mit starken kollektiven Bewegungen, die durch hydrodynamische Gleichungen gut beschrieben werden. Der bei nuklearen Kollisionen am LHC gebildete Feuerball ist heißer, lebt länger und dehnt sich zu einer größeren Größe aus als das Medium, das bei Schwerionenkollisionen am RHIC gebildet wurde. Multiplizitätsmessungen des ALICE-Experiments zeigen, dass das System anfangs eine viel höhere Energiedichte aufweist und mindestens 30% heißer ist als bei RHIC, was zu einer etwa doppelten Teilchenmultiplizität für jedes kollidierende Nukleonenpaar führt (Aamodt et al. 2010a). Weitere Analysen, insbesondere einschließlich der vollständigen Abhängigkeit dieser Observablen von der Zentralität, werden weitere Einblicke in die Eigenschaften des Systems – wie Anfangsgeschwindigkeiten, Zustandsgleichung und Flüssigkeitsviskosität – geben und die theoretische Modellierung von Schwerionen . stark einschränken Kollisionen.

Ein perfektes Liquid am LHC

Außermittige Kernkollisionen mit einem endlichen Aufprallparameter erzeugen einen stark asymmetrischen "mandelförmigen" Feuerball. Experimente können jedoch die räumlichen Dimensionen der Wechselwirkung nicht messen (außer in Sonderfällen, zum Beispiel bei der Herstellung von Pionen, siehe). Stattdessen messen sie die Impulsverteilungen der emittierten Teilchen. Eine Korrelation zwischen der gemessenen azimutalen Impulsverteilung der vom zerfallenden Feuerball emittierten Teilchen und der anfänglichen räumlichen Asymmetrie kann nur durch multiple Wechselwirkungen zwischen den Bestandteilen der erzeugten Materie entstehen; mit anderen Worten, es sagt uns, wie die Materie fließt, was mit ihrer Zustandsgleichung und ihren thermodynamischen Transporteigenschaften zusammenhängt.

Die gemessene azimutale Verteilung von Teilchen im Impulsraum kann in Fourier-Koeffizienten zerlegt werden. Der zweite Fourier-Koeffizient (v2), elliptische Strömung genannt, ist besonders empfindlich auf die innere Reibung oder Viskosität des Fluids, genauer η/s, das Verhältnis der Scherviskosität (η) zur Entropie (s) des Systems . Für ein gutes Fluid wie Wasser ist das Verhältnis η/s klein. Eine "dicke" Flüssigkeit wie Honig hat große Werte von η/s.

Bei Schwerionenkollisionen am LHC fand die ALICE-Kollaboration heraus, dass sich die bei der Kollision entstandene heiße Materie wie eine Flüssigkeit mit geringer Reibung verhält, mit η/s nahe ihrer unteren Grenze (fast null Viskosität). Mit diesen Messungen hat ALICE gerade damit begonnen, die Temperaturabhängigkeit von η/s zu untersuchen, und wir erwarten viele weitere detaillierte strömungsbezogene Messungen am LHC, die die hydrodynamischen Eigenschaften des QGP noch weiter einschränken werden.

Messung der höchsten Temperatur der Erde

Im August 2012 gaben ALICE-Wissenschaftler bekannt, dass ihre Experimente Quark-Gluon-Plasma mit einer Temperatur von etwa 5,5 Billionen Kelvin erzeugten , der höchsten Temperaturmasse, die bisher in physikalischen Experimenten erreicht wurde. Diese Temperatur ist etwa 38% höher als der bisherige Rekord von etwa 4 Billionen Kelvin, der in den Experimenten 2010 am Brookhaven National Laboratory erreicht wurde .

Die ALICE Ergebnisse wurden am 13. August angekündigt , Quark Matter 2012 Konferenz in Washington, DC Das Quark-Gluon - Plasma durch diese Versuche annähert , die Bedingungen im Universum erzeugt , die Mikrosekunden nach dem existierte Big Bang , bevor die Sache in koalesziert Atom .

Energieverlust

Ein grundlegender Vorgang bei der QCD ist der Energieverlust eines schnellen Partons in einem aus Farbladungen bestehenden Medium. Dieses Phänomen, das "Jet-Quenching", ist besonders nützlich bei der Untersuchung des QGP, wobei die natürlich vorkommenden Produkte (Jets) der harten Streuung von Quarks und Gluonen an den einfallenden Kernen verwendet werden. Ein hochenergetisches Parton (eine Farbladung) untersucht das farbige Medium, ähnlich wie ein Röntgenstrahl gewöhnliche Materie untersucht. Die Produktion dieser partonischen Sonden bei hadronischen Kollisionen ist innerhalb der perturbativen QCD gut verstanden. Die Theorie zeigt auch, dass ein Parton, der das Medium durchquert, einen Bruchteil seiner Energie verliert, indem er viele weiche (niederenergetische) Gluonen emittiert. Die Menge der abgestrahlten Energie ist proportional zur Dichte des Mediums und zum Quadrat der Weglänge, die das Parton im Medium zurücklegt. Die Theorie sagt auch voraus, dass der Energieverlust vom Geschmack des Partons abhängt.

Jet Quenching wurde zuerst am RHIC beobachtet, indem die Ausbeuten an Hadronen mit hohem Transversalimpuls gemessen wurden. Diese Teilchen werden durch Fragmentierung von energetischen Partonen erzeugt. Die Ausbeuten dieser Partikel mit hohem pT-Wert bei zentralen Kern-Kern-Kollisionen waren um den Faktor fünf geringer als aus den Messungen in Proton-Proton-Reaktionen erwartet. ALICE hat kürzlich die Messung geladener Teilchen bei zentralen Schwerionenkollisionen am LHC veröffentlicht. Wie am RHIC wird die Produktion von High-pT-Hadronen am LHC stark unterdrückt. Die Beobachtungen am LHC zeigen jedoch qualitativ neue Merkmale. Die Beobachtung von ALICE steht im Einklang mit Berichten der ATLAS- und CMS-Kollaborationen über direkte Beweise für Parton-Energieverluste bei Schwerionen-Kollisionen unter Verwendung vollständig rekonstruierter Rücken-an-Rücken-Strahlen von Partikeln, die mit harten Parton-Streuungen verbunden sind. Die letzten beiden Experimente haben ein starkes Energieungleichgewicht zwischen dem Jet und seinem Rückstoßpartner gezeigt (G Aad et al. 2010 und CMS Zusammenarbeit 2011). Es wird angenommen, dass dieses Ungleichgewicht entsteht, weil einer der Jets die heiße und dichte Materie durchquerte und einen erheblichen Teil seiner Energie auf eine Weise auf das Medium überträgt, die durch die Rekonstruktion der Jets nicht wiederhergestellt wird.

Untersuchung der Quarkonium-Hadroproduktion

Quarkonia sind gebundene Zustände von schweren Flavour-Quarks (Charm oder Bottom) und deren Antiquarks. Zwei Arten von Quarkonien wurden intensiv untersucht: Charmonia, die aus einem Charm-Quark und einem Anti-Charm besteht, und Bottomonia, die aus einem Bottom- und einem Anti-Bottom-Quark bestehen. Charm- und Anticharm-Quarks können sich in Gegenwart des Quark-Gluon-Plasmas, in dem es viele freie Farbladungen gibt, nicht mehr sehen und können daher keine gebundenen Zustände bilden. Das "Einschmelzen" von Quarkonia in das QGP äußert sich in der Unterdrückung der Quarkoniumausbeuten gegenüber der Produktion ohne Anwesenheit des QGP. Die Suche nach Quarkonia-Unterdrückung als QGP-Signatur begann vor 25 Jahren. Die ersten ALICE-Ergebnisse für Charm-Hadronen in PbPb-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie √sNN = 2.76 TeV zeigen einen starken Energieverlust im Medium für Charm- und Strange-Quarks, was ein Hinweis auf die Bildung des heißen Mediums von QGP ist.

Mit steigender Temperatur nimmt auch die Farbabschirmung zu, was zu einer stärkeren Unterdrückung der Quarkonium-Zustände führt, da es für Charm – Anticharm oder Bottom – Antibottom schwieriger wird, neue gebundene Zustände zu bilden. Bei sehr hohen Temperaturen werden keine Quarkoniumzustände erwartet; sie schmelzen im QGP. Die sequentielle Quarkonium-Suppression wird daher als QGP-Thermometer betrachtet, da Zustände mit unterschiedlichen Massen unterschiedliche Größen haben und bei unterschiedlichen Temperaturen gescreent und dissoziiert werden sollen. Mit zunehmender Kollisionsenergie steigt jedoch auch die Anzahl der Charm-Anticharm-Quarks, die gebundene Zustände bilden können, und ein Ausgleichsmechanismus der Rekombination von Quarkonien kann auftreten, wenn wir uns zu höheren Energien bewegen.

Die Ergebnisse des ersten ALICE-Laufs sind im Vergleich zu den Beobachtungen bei niedrigeren Energien ziemlich auffällig. Während eine ähnliche Suppression bei LHC-Energien für periphere Kollisionen beobachtet wird, nimmt die Suppression nicht mehr zu, wenn man sich mehr Frontalkollisionen zuwendet – quantifiziert durch die zunehmende Anzahl von Nukleonen in den an der Wechselwirkung beteiligten Leitkernen. Daher werden trotz der höheren Temperaturen, die bei den Kernkollisionen am LHC erreicht werden, mehr J/ψ-Mesonen durch das ALICE-Experiment in Pb-Pb in Bezug auf p-p nachgewiesen. Ein solcher Effekt hängt wahrscheinlich mit einem Regenerationsprozess zusammen, der an der Temperaturgrenze zwischen dem QGP und einem heißen Hadronengas stattfindet.

Die Unterdrückung von Charmonium-Zuständen wurde auch bei Proton-Blei-Kollisionen am LHC beobachtet, bei denen Quark-Gluon-Plasma nicht gebildet wird. Dies deutet darauf hin, dass die beobachtete Unterdrückung bei Proton-Kern-Kollisionen (pA) auf Effekte kalter Kernmaterie zurückzuführen ist. Um die Fülle experimenteller Ergebnisse zu erfassen, muss man die mittlere Modifikation von Quarkonia verstehen und die Effekte heißer und kalter Materie entwirren. Heute gibt es eine große Menge an Daten von RHIC und LHC zur Charmoniium- und Bottomonium-Suppression und ALICE versucht, zwischen Effekten aufgrund der Bildung des QGP und denen von Effekten kalter Kernmaterie zu unterscheiden.

Doppelstegstruktur bei p-Pb-Kollisionen

ALICE zeichnet erste Proton-Blei-Kollisionen am LHC . auf

Die Analyse der Daten der p-Pb-Kollisionen am LHC ergab eine völlig unerwartete Doppelgratstruktur mit bisher unbekanntem Ursprung. Die Proton-Blei (pPb)-Kollisionen im Jahr 2013, zwei Jahre nach ihren Schwerionen-Kollisionen, eröffneten ein neues Kapitel in der Erforschung der Eigenschaften des entgrenzten, chiral symmetrischen Zustands des QGP. Eine überraschende Nahseitenkorrelation (verlängert in Pseudorapidität) mit großer Reichweite, die eine rippenartige Struktur bildet, die bei pp-Kollisionen hoher Multiplizität beobachtet wurde, wurde auch bei pPb-Kollisionen hoher Multiplizität gefunden, jedoch mit einer viel größeren Amplitude (). Die größte Überraschung war jedoch die Beobachtung, dass dieser Nahseitenkamm von einem im Wesentlichen symmetrischen Außenkamm begleitet wird, der im Azimut gegenüberliegend ist (CERN Courier März 2013 S.6). Dieser Doppelkamm wurde aufgedeckt, nachdem die durch Jet-Fragmentierung und Resonanzzerfälle entstehenden Kurzstreckenkorrelationen unterdrückt wurden, indem die Korrelationsverteilung, die für Ereignisse mit niedriger Multiplizität gemessen wurde, von der für Ereignisse mit hoher Multiplizität subtrahiert wurde.

Ähnliche weitreichende Strukturen bei Schwerionenkollisionen wurden dem kollektiven Fluss von Partikeln zugeschrieben, die von einem thermalisierten System emittiert werden, das einer kollektiven hydrodynamischen Expansion unterliegt. Diese Anisotropie lässt sich durch die vn (n = 2, 3, ...) Koeffizienten einer Fourierzerlegung der Einteilchen-Azimutverteilung charakterisieren. Um das mögliche Vorhandensein kollektiver Phänomene weiter zu testen, hat die ALICE-Kollaboration die Zwei-Teilchen-Korrelationsanalyse auf identifizierte Teilchen ausgeweitet und auf eine mögliche Massenordnung der harmonischen v2-Koeffizienten geprüft. Eine solche Massenordnung wurde bei Schwerionenkollisionen beobachtet, wo sie als Folge eines gemeinsamen radialen Schubs interpretiert wurde – der sogenannten radialen Strömung – gekoppelt an die Anisotropie im Impulsraum. Um die Überraschungen fortzusetzen, wurde eine klare Teilchen-Masse-Ordnung, ähnlich der, die bei mittelzentralen PbPb-Kollisionen beobachtet wurde (CERN Courier, September 2013), in pPb-Kollisionen mit hoher Multiplizität gemessen.

Die letzte Überraschung kommt bisher von den Charmonium-Staaten. Während die J/ψ-Produktion kein unerwartetes Verhalten zeigt, weist die Produktion des schwereren und weniger gebundenen (2S)-Zustands auf eine starke Suppression (0.5–0.7) gegenüber J/ψ im Vergleich zu pp-Kollisionen hin. Ist das ein Hinweis auf die Wirkung des Mediums? Tatsächlich wurde eine solche Unterdrückung bei Schwerionenkollisionen als sequentielles Schmelzen von Quarkoniumoxidzuständen interpretiert, abhängig von ihrer Bindungsenergie und der Temperatur der bei diesen Kollisionen erzeugten QGP.

Die erwarteten Ergebnisse der ersten pPb-Messkampagne wurden weitgehend von unerwarteten Beobachtungen begleitet. Zu den erwarteten Ergebnissen gehört die Bestätigung, dass Proton-Kern-Kollisionen ein geeignetes Werkzeug darstellen, um die partonische Struktur kalter Kernmaterie im Detail zu untersuchen. Die Überraschungen sind auf die Ähnlichkeit mehrerer Observablen zwischen pPb- und PbPb-Kollisionen zurückzuführen, die auf die Existenz kollektiver Phänomene bei pPb-Kollisionen mit hoher Teilchenmultiplizität und schließlich auf die Bildung von QGP hinweisen.

Upgrades und zukünftige Pläne

Langes Herunterfahren 1

Die wichtigste Upgrade-Aktivität von ALICE während des Long Shutdown 1 des LHC war die Installation des Dijet-Kalorimeters (DCAL), einer Erweiterung des bestehenden EMCAL-Systems, die 60° azimutale Akzeptanz gegenüber den bestehenden 120° der EMCAL-Akzeptanz hinzufügt. Dieser neue Subdetektor wird auf der Unterseite des Magnetmagneten installiert, der derzeit drei Module des Photonenspektrometers (PHOS) beherbergt. Darüber hinaus wird ein völlig neues Schienensystem und eine Halterung installiert, um die drei PHOS-Module und acht DCAL-Module zu unterstützen, die zusammen mehr als 100 Tonnen wiegen. Die Installation von fünf Modulen des TRD wird folgen und so dieses komplexe Detektorsystem, das aus 18 Einheiten besteht, komplettieren.

Zusätzlich zu diesen Mainstream-Detektoraktivitäten wurden alle 18 ALICE-Subdetektoren während LS1 erheblich verbessert, während die Computer und Discs der Online-Systeme ersetzt wurden, gefolgt von Upgrades der Betriebssysteme und der Online-Software.

All diese Bemühungen sollen sicherstellen, dass ALICE für die dreijährige Laufzeit des LHC nach LS1 in guter Verfassung ist, wenn sich die Zusammenarbeit auf Schwerionenkollisionen bei der höchsten LHC-Energie von 5,5 TeV/Nukleon bei Leuchtdichten über 1027 freut Hz / cm 2 .

Langer Stillstand 2 (2018)

Die ALICE-Kollaboration plant ein großes Upgrade während des nächsten langen Shutdowns, LS2, der derzeit für 2018 geplant ist. Dann wird der gesamte Silizium-Tracker durch ein monolithisches Pixel-Tracker-System aus ALPIDE-Chips ersetzt; die Zeitprojektionskammer wird mit Gaselektronenvervielfacher (GEM)-Detektoren für kontinuierliches Auslesen und den Einsatz neuer Mikroelektronik aufgerüstet; und alle anderen Subdetektoren und die Online-Systeme bereiten sich auf eine 100-fache Zunahme der auf Band geschriebenen Ereignisse vor.

Verweise

Externe Links