Experiment NA62 (hovorilo sa o ňom v rubrike veda v niekoľkých predchádzajúcich číslach) bude študovať zriedkavé rozpady častíc, ktoré sa volajú K+ (kladné kaóny). Veľmi presne zmeriame charakteristiky takých rozpadov a porovnáme s teoretickými predpoveďami momentálne panujúcej teórie mikrosveta, takzvaného štandardného modelu. Ak sa budú zhodovať, tým lepšie pre štandardný model. Ak nie, objavili sme príznak, že štandardný model treba doplniť/opraviť/zmeniť o „novú fyziku“.
Zriedkavé rozpady budeme študovať preto, lebo pre ne v rámci štandardného modelu vychádza, že sú málo pravdepodobné, a teda „nová fyzika“ ma väčšiu šancu upútať na seba pozornosť: aj v absolútnom zmysle sa malá korekcia voči malej štandardnej predpovedi môže ukázať ako relatívne veľká.
Po zriedkavých udalostiach ideme aj preto, že bežné už niekto zmeral a v nich štandardný model zatiaľ obstál. Veľmi zriedkavé udalosti je však extrémne ťažké zmerať. Potrebujeme zaznamenať veľmi veľa rozpadov kaónov, ktoré budú v drvivej väčšine „nezriedkavé“, aby sme medzi nimi ako ihly v kope sena vyhrabali tie zriedkavé a následne ich starostlivo analyzovali. Tento článok je o tom, ako sa hľadá „ihla v kope sena“.
.ihla
Aby sme našli zopár ihiel, treba mať veľa sena. CERN pre NA62 pripravil intenzívny zväzok kladných častíc. Ideálne by bolo, keby sa skladal len z kladných kaónov. Lenže kaóny sa nedajú nakopať v bani. Narodia sa, keď protóny odklonené z urýchľovačovej dráhy narazia do masívneho kusu berýlia a vytvoria množstvo častíc.
Kladné častice magnetickým poľom odkloníme, zaostríme do úzkeho zväzku a nasmerujeme (vo vákuovej rúre) do podzemnej tristometrovej haly, kde sídli NA62. Vo zväzku doletí každú sekundu 170 miliónov protónov, 520 miliónov piónov a 50 miliónov kaónov. Protóny a pióny sú nám nanič, ale ani nám veľmi nevadia, letia v smere zväzku (ako aj produkty rozpadu nestabilných piónov) a spravidla nezasahujú citlivé oblasti našich detektorov.
To, čo chceme zaregistrovať, sú rozpady kladného kaónu, pri ktorých vznikne kladný pión, neutríno a antineutríno. Voláme to zlatý rozpad. Z hľadiska detektorovej fyziky sú neutrína neregistrovateľné častice, preletia každým (v takomto experimente mysliteľným) detektorom ani si nevšimnúc, že im niečo stálo v ceste. Takže to, čo sa má v detektore zaregistrovať po takom rozpade, je jediná častica – pión.
Naša ihla teda vyzerá takto. Na vstupe do detektorového systému detegujeme kaón, a v určitej vzdialenosti zaregistrujeme, že ďalej letí jediná častica, ale v inom smere. To môže byť pión z hľadaného rozpadu. Smer jeho letu je iný, ako bol smer pôvodného kaónu, lebo nabok odleteli neutrína. Pritom si musíme byť istí, že už žiadna ďalšia častica v detektore nie je. Problém je v tom, že niektoré častice sú pre isté detektory neviditeľné (fotóny a neutrálne pióny) a zachytia ich len špecializované detektory. Hlavný problém je byť si istý, že nič iné okrem jedného kladného piónu tam po rozpade kaónu neuvidíme.
Nevidieť je ľahko, stačí zatvoriť oči. Potrebujeme ale pozitívne „nevidím“. Musím mať otvorených tisíce očí, ktoré kvalitne vidia, ak je čo vidieť. Musíme kvalifikovane vyhlásiť, že nebolo čo vidieť. A musíme presvedčiť vedeckú komunitu, že sme sa naozaj dobre pozerali a ak sme nič nevideli, tak tam naozaj nič nebolo. Tak vyzerá naša ihla.
Štandardný model predpovedá, že ak bude experiment bežať dva roky, máme šancu zaregistrovať sto zlatých rozpadov. Za celý ten čas NA62 uvidí desaťtisíc miliárd obvyklejších „nezlatých“ rozpadov kaónov. Vyhľadať medzi nimi našich sto zlatých je naozaj výzva.
.hodinky
Celý aktívny detektorový komplex NA62 je dlhý takmer 250 metrov pozdĺž smeru nalietavajúcich častíc. Dá sa veľmi zjednodušene predstaviť tak, že na tých 250 metroch je postupne rozostavených rádovo 30 časticovo citlivých detekčných rovín, ktoré zaznamenávajú prelet častíc rôznymi fyzikálnymi technikami a sú citlivé na rôzne druhy častíc. O prelete častíc vydajú svedectvo vytvorením elektrických signálov.
Všetko by bolo ľahšie, keby do komplexu NA62 vletel kaón, postupne by ten kaón alebo produkty jeho rozpadu preleteli všetkými detekčnými rovinami, zaznamenali by sme na disk všetky signály a potom dovolili ďalšej častici vletieť dnu. Ibaže je to tak, že každú mikrosekundu vletí do detektora 50 kaónov. Tie kaóny, ako aj produkty ich rozpadov, sa pohybujú prakticky rýchlosťou svetla, ale aj tak každej častici trvá približne mikrosekundu, kým preletí celým komplexom.
Takže to, čo sa stalo s jednou konkrétnou časticou, nie je z hľadiska elektrických signálov v detektore otázkou jedného spoločného časového okamihu. Signály z každého subdetektora musia byť opatrené časovou nálepkou, v ktorom čase boli na danej rovine získané. A pri spracovaní musíme spárovať signály, ktoré boli na vzdialenejšom detektore „B“ zaznamenané v neskoršom časovom okamihu ako na bližšom detektore „A“, a to o toľko neskoršom, koľko trvá častici, aby z roviny „A“ priletela do roviny „B“. Preto každá detekčná rovina musí mať pri sebe presné hodiny, ktoré musia byť všetky navzájom prísne synchronizované s presnosťou 100 pikosekúnd. To je časť našej „bratislavsko-birminghamskej“ práce: zabezpečiť a udržiavať rozvod časových a synchronizačných signálov.
.spúšť
Ale to nie je celá story. Detektor NA62 má asi stotisíc kanálov (elektrických signálov napríklad z jednotlivých fotonásobičov alebo detekčných drôtov v komorách). Je fyzicky nemožné naslepo uchovávať všetky (nadprahové) hodnoty zo všetkých kanálov a potom „v kľude“ softvérovo analyzovať, ako tie signály navzájom súvisia a čo vlastne znamenajú. Nemožné je to preto, lebo tých dát by bolo strašne veľa, nemali by sme ich kam ukladať.
Signály sa preto uchovávajú v lokálnej pamäti subdetektorov len nakrátko, kým sa v reálnom čase urobí rýchle rozhodnutie, že v istej nanosekunde sa udialo čosi, čo by mohlo byť zaujímavé. Napríklad tak, že v tej nanosekunde je dramaticky zvýšená pravdepodobnosť (oproti záznamu naslepo) že v komplexe NA62 sa udial náš hľadaný „zlatý rozpad“. Kľúčové detektory majú preto pri sebe rýchlu elektroniku, ktorá vyšle signál typu „kandidát“ alebo „negatívny kandidát“ podľa rýchleho vyhodnotenia skupiny kanálov.
V centrálnom elektronickom domčeku sa sleduje súčasný príchod viacerých signálov typu kandidát a vyhodnocuje sa ich logická súvislosť. Ako príklad uveďme, že detektor CHOD oznámi „mojím citlivým objemom preletela jediná nabitá častica“ (čo by mohol byť pión zo zlatého rozpadu). Centrálny procesor preskúma, či pre ten istý časový okamih neoznámil detektor miónov „niečo mnou preletelo“ (to by bol mión, ale ten v zlatom procese nemá čo hľadať). V skutočnosti je to vyhodnocovanie zložitejšie, ale pre predstavu to stačí.
V prípade pozitívneho logického vyhodnotenia centrálny procesor vyšle všetkým subdetektorom signál „trigger!“. Slovo trigger sa neprekladá a jeho pôvodný význam je spúšť, kohútik zbrane. Signál „trigger!“ nesie aj informáciu, kedy nastal zaujímavý prípad. Subdetektor po prijatí takého signálu pošle do centra spracovania dát signály všetkých kanálov zaznamenaných pre triggerom označený okamih. Zvyšok lokálnej pamäte vymaže, aby sa mohli registrovať ďalšie rozpady.
Náš bratislavsko-birminghamský TTC systém zabezpečuje, aby do centrálneho časového signálu, ktorý rozosielame po optických vláknach, boli zakódované signály triggeru. Základná myšlienka kódovania je prevzatá z podobného systému používaného v experimentoch na LHC. Elektronické komponenty, ktoré riadia kódovanie laserov vysielajúcich signály optickými vláknami, boli vyvinuté v CERN-e podobne ako dedikovaná elektronika prijímajúca a dekódujúca časové a triggerové signály v subdetektoroch. Celý náš systém pozostáva z počítača typu PC, ktorý riadi špeciálnu elektroniku, ktorá riadi laserové vysielače.
Odladenie celého komplexu NA62 nie je triviálna úloha, preto pomocou nášho počítača a riadiacej elektroniky zabezpečujeme aj možnosť generovania simulovaných triggerovacích signálov, ktoré sa používajú na ladenie parametrov detektorov a ich elektroniky. Simuláciu triggerov a záznam všetkých signálov, ktoré chodia po optických vláknach, robí náš softvér. Na našom počítači bežia simulačné servery, ktoré si na diaľku ovládajú experti na subdetektoroch, aby dostávali testovacie triggerové signály podľa svojich potrieb.
Náš systém musí zabezpečiť spoľahlivú vzájomnú komunikáciu elektronických uzlov, ktoré nemožno len tak jednoducho „pospájať drôtmi“. Tridsať centimetrov drôtu spôsobuje posun elektrického signálu o jednu nanosekundu, navyše prenos nie je dokonalý a signál sa prenosom skresľuje. Aby sa elektronické uzly presne rozumeli, je treba starostlivo nastaviť a kontrolovať príchod signálov s presnosťou 100 pikosekúnd. Riešenie spočíva v softvérovo ovládaných elektronických oneskorovacích obvodoch, v behaní s osciloskopom a kontrole digitálnych záznamov o vyslaných signáloch. Nakoniec sa to podarí a experti na druhom konci optických vlákien už neprotestujú: „Prečo tento trigger prišiel dvakrát?!“
Naozajstná fyzikálna práca sa začína pri analýze zaznamenaných signálov. Rozumieť dátam po kvantitatívnej stránke nie je v ľudských silách bez masívnej počítačovej podpory. Základom je komplexný počítačový simulačný model celého zariadenia. Model pravdepodobnostným spôsobom simuluje, čo sa stane, keď zariadením preletí taká a taká častica. Že sa rozpadne tak a tak, šťuknú tie a tie elektronické kanály. Naozajstným šťuknutiam porozumieme, ak ich vieme porovnať so simulovanými šťuknutiami.
Po veľaročnej námahe by jednou z odmien za celé snaženie mohlo byť „zlaté číslo“. Štandardný model predpovedá, že bude mať hodnotu 8.10-11 (osem stomiliardtín). To má byť pravdepodobnosť, že kaón sa rozpadne „zlatým“ typom rozpadu. Netušíme, či sa anglickí bookmakeri už pripravujú prijímať stávky, či nenameriame napríklad dvakrát viac, čo by znamenalo objav „novej fyziky“.
.autor je fyzik, člen kolaborácie NA62.
Zriedkavé rozpady budeme študovať preto, lebo pre ne v rámci štandardného modelu vychádza, že sú málo pravdepodobné, a teda „nová fyzika“ ma väčšiu šancu upútať na seba pozornosť: aj v absolútnom zmysle sa malá korekcia voči malej štandardnej predpovedi môže ukázať ako relatívne veľká.
Po zriedkavých udalostiach ideme aj preto, že bežné už niekto zmeral a v nich štandardný model zatiaľ obstál. Veľmi zriedkavé udalosti je však extrémne ťažké zmerať. Potrebujeme zaznamenať veľmi veľa rozpadov kaónov, ktoré budú v drvivej väčšine „nezriedkavé“, aby sme medzi nimi ako ihly v kope sena vyhrabali tie zriedkavé a následne ich starostlivo analyzovali. Tento článok je o tom, ako sa hľadá „ihla v kope sena“.
.ihla
Aby sme našli zopár ihiel, treba mať veľa sena. CERN pre NA62 pripravil intenzívny zväzok kladných častíc. Ideálne by bolo, keby sa skladal len z kladných kaónov. Lenže kaóny sa nedajú nakopať v bani. Narodia sa, keď protóny odklonené z urýchľovačovej dráhy narazia do masívneho kusu berýlia a vytvoria množstvo častíc.
Kladné častice magnetickým poľom odkloníme, zaostríme do úzkeho zväzku a nasmerujeme (vo vákuovej rúre) do podzemnej tristometrovej haly, kde sídli NA62. Vo zväzku doletí každú sekundu 170 miliónov protónov, 520 miliónov piónov a 50 miliónov kaónov. Protóny a pióny sú nám nanič, ale ani nám veľmi nevadia, letia v smere zväzku (ako aj produkty rozpadu nestabilných piónov) a spravidla nezasahujú citlivé oblasti našich detektorov.
To, čo chceme zaregistrovať, sú rozpady kladného kaónu, pri ktorých vznikne kladný pión, neutríno a antineutríno. Voláme to zlatý rozpad. Z hľadiska detektorovej fyziky sú neutrína neregistrovateľné častice, preletia každým (v takomto experimente mysliteľným) detektorom ani si nevšimnúc, že im niečo stálo v ceste. Takže to, čo sa má v detektore zaregistrovať po takom rozpade, je jediná častica – pión.
Naša ihla teda vyzerá takto. Na vstupe do detektorového systému detegujeme kaón, a v určitej vzdialenosti zaregistrujeme, že ďalej letí jediná častica, ale v inom smere. To môže byť pión z hľadaného rozpadu. Smer jeho letu je iný, ako bol smer pôvodného kaónu, lebo nabok odleteli neutrína. Pritom si musíme byť istí, že už žiadna ďalšia častica v detektore nie je. Problém je v tom, že niektoré častice sú pre isté detektory neviditeľné (fotóny a neutrálne pióny) a zachytia ich len špecializované detektory. Hlavný problém je byť si istý, že nič iné okrem jedného kladného piónu tam po rozpade kaónu neuvidíme.
Nevidieť je ľahko, stačí zatvoriť oči. Potrebujeme ale pozitívne „nevidím“. Musím mať otvorených tisíce očí, ktoré kvalitne vidia, ak je čo vidieť. Musíme kvalifikovane vyhlásiť, že nebolo čo vidieť. A musíme presvedčiť vedeckú komunitu, že sme sa naozaj dobre pozerali a ak sme nič nevideli, tak tam naozaj nič nebolo. Tak vyzerá naša ihla.
Štandardný model predpovedá, že ak bude experiment bežať dva roky, máme šancu zaregistrovať sto zlatých rozpadov. Za celý ten čas NA62 uvidí desaťtisíc miliárd obvyklejších „nezlatých“ rozpadov kaónov. Vyhľadať medzi nimi našich sto zlatých je naozaj výzva.
.hodinky
Celý aktívny detektorový komplex NA62 je dlhý takmer 250 metrov pozdĺž smeru nalietavajúcich častíc. Dá sa veľmi zjednodušene predstaviť tak, že na tých 250 metroch je postupne rozostavených rádovo 30 časticovo citlivých detekčných rovín, ktoré zaznamenávajú prelet častíc rôznymi fyzikálnymi technikami a sú citlivé na rôzne druhy častíc. O prelete častíc vydajú svedectvo vytvorením elektrických signálov.
Všetko by bolo ľahšie, keby do komplexu NA62 vletel kaón, postupne by ten kaón alebo produkty jeho rozpadu preleteli všetkými detekčnými rovinami, zaznamenali by sme na disk všetky signály a potom dovolili ďalšej častici vletieť dnu. Ibaže je to tak, že každú mikrosekundu vletí do detektora 50 kaónov. Tie kaóny, ako aj produkty ich rozpadov, sa pohybujú prakticky rýchlosťou svetla, ale aj tak každej častici trvá približne mikrosekundu, kým preletí celým komplexom.
Takže to, čo sa stalo s jednou konkrétnou časticou, nie je z hľadiska elektrických signálov v detektore otázkou jedného spoločného časového okamihu. Signály z každého subdetektora musia byť opatrené časovou nálepkou, v ktorom čase boli na danej rovine získané. A pri spracovaní musíme spárovať signály, ktoré boli na vzdialenejšom detektore „B“ zaznamenané v neskoršom časovom okamihu ako na bližšom detektore „A“, a to o toľko neskoršom, koľko trvá častici, aby z roviny „A“ priletela do roviny „B“. Preto každá detekčná rovina musí mať pri sebe presné hodiny, ktoré musia byť všetky navzájom prísne synchronizované s presnosťou 100 pikosekúnd. To je časť našej „bratislavsko-birminghamskej“ práce: zabezpečiť a udržiavať rozvod časových a synchronizačných signálov.
.spúšť
Ale to nie je celá story. Detektor NA62 má asi stotisíc kanálov (elektrických signálov napríklad z jednotlivých fotonásobičov alebo detekčných drôtov v komorách). Je fyzicky nemožné naslepo uchovávať všetky (nadprahové) hodnoty zo všetkých kanálov a potom „v kľude“ softvérovo analyzovať, ako tie signály navzájom súvisia a čo vlastne znamenajú. Nemožné je to preto, lebo tých dát by bolo strašne veľa, nemali by sme ich kam ukladať.
Signály sa preto uchovávajú v lokálnej pamäti subdetektorov len nakrátko, kým sa v reálnom čase urobí rýchle rozhodnutie, že v istej nanosekunde sa udialo čosi, čo by mohlo byť zaujímavé. Napríklad tak, že v tej nanosekunde je dramaticky zvýšená pravdepodobnosť (oproti záznamu naslepo) že v komplexe NA62 sa udial náš hľadaný „zlatý rozpad“. Kľúčové detektory majú preto pri sebe rýchlu elektroniku, ktorá vyšle signál typu „kandidát“ alebo „negatívny kandidát“ podľa rýchleho vyhodnotenia skupiny kanálov.
V centrálnom elektronickom domčeku sa sleduje súčasný príchod viacerých signálov typu kandidát a vyhodnocuje sa ich logická súvislosť. Ako príklad uveďme, že detektor CHOD oznámi „mojím citlivým objemom preletela jediná nabitá častica“ (čo by mohol byť pión zo zlatého rozpadu). Centrálny procesor preskúma, či pre ten istý časový okamih neoznámil detektor miónov „niečo mnou preletelo“ (to by bol mión, ale ten v zlatom procese nemá čo hľadať). V skutočnosti je to vyhodnocovanie zložitejšie, ale pre predstavu to stačí.
V prípade pozitívneho logického vyhodnotenia centrálny procesor vyšle všetkým subdetektorom signál „trigger!“. Slovo trigger sa neprekladá a jeho pôvodný význam je spúšť, kohútik zbrane. Signál „trigger!“ nesie aj informáciu, kedy nastal zaujímavý prípad. Subdetektor po prijatí takého signálu pošle do centra spracovania dát signály všetkých kanálov zaznamenaných pre triggerom označený okamih. Zvyšok lokálnej pamäte vymaže, aby sa mohli registrovať ďalšie rozpady.
Náš bratislavsko-birminghamský TTC systém zabezpečuje, aby do centrálneho časového signálu, ktorý rozosielame po optických vláknach, boli zakódované signály triggeru. Základná myšlienka kódovania je prevzatá z podobného systému používaného v experimentoch na LHC. Elektronické komponenty, ktoré riadia kódovanie laserov vysielajúcich signály optickými vláknami, boli vyvinuté v CERN-e podobne ako dedikovaná elektronika prijímajúca a dekódujúca časové a triggerové signály v subdetektoroch. Celý náš systém pozostáva z počítača typu PC, ktorý riadi špeciálnu elektroniku, ktorá riadi laserové vysielače.
Odladenie celého komplexu NA62 nie je triviálna úloha, preto pomocou nášho počítača a riadiacej elektroniky zabezpečujeme aj možnosť generovania simulovaných triggerovacích signálov, ktoré sa používajú na ladenie parametrov detektorov a ich elektroniky. Simuláciu triggerov a záznam všetkých signálov, ktoré chodia po optických vláknach, robí náš softvér. Na našom počítači bežia simulačné servery, ktoré si na diaľku ovládajú experti na subdetektoroch, aby dostávali testovacie triggerové signály podľa svojich potrieb.
Náš systém musí zabezpečiť spoľahlivú vzájomnú komunikáciu elektronických uzlov, ktoré nemožno len tak jednoducho „pospájať drôtmi“. Tridsať centimetrov drôtu spôsobuje posun elektrického signálu o jednu nanosekundu, navyše prenos nie je dokonalý a signál sa prenosom skresľuje. Aby sa elektronické uzly presne rozumeli, je treba starostlivo nastaviť a kontrolovať príchod signálov s presnosťou 100 pikosekúnd. Riešenie spočíva v softvérovo ovládaných elektronických oneskorovacích obvodoch, v behaní s osciloskopom a kontrole digitálnych záznamov o vyslaných signáloch. Nakoniec sa to podarí a experti na druhom konci optických vlákien už neprotestujú: „Prečo tento trigger prišiel dvakrát?!“
Naozajstná fyzikálna práca sa začína pri analýze zaznamenaných signálov. Rozumieť dátam po kvantitatívnej stránke nie je v ľudských silách bez masívnej počítačovej podpory. Základom je komplexný počítačový simulačný model celého zariadenia. Model pravdepodobnostným spôsobom simuluje, čo sa stane, keď zariadením preletí taká a taká častica. Že sa rozpadne tak a tak, šťuknú tie a tie elektronické kanály. Naozajstným šťuknutiam porozumieme, ak ich vieme porovnať so simulovanými šťuknutiami.
Po veľaročnej námahe by jednou z odmien za celé snaženie mohlo byť „zlaté číslo“. Štandardný model predpovedá, že bude mať hodnotu 8.10-11 (osem stomiliardtín). To má byť pravdepodobnosť, že kaón sa rozpadne „zlatým“ typom rozpadu. Netušíme, či sa anglickí bookmakeri už pripravujú prijímať stávky, či nenameriame napríklad dvakrát viac, čo by znamenalo objav „novej fyziky“.
.autor je fyzik, člen kolaborácie NA62.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.