ALICE & ATLAS

Infrastruktur: LHC (Large Hadron Collider)
Projekttitel: Alice & Atlas
Huvudsökande: Bengt Lund-Jensen, Kungliga Tekniska Högskolan
Medsökande: Richard Brenner, avdelningen för högenergifysik
Finansiär: Forskningsinfrastrukturer av nationellt intresse från Vetenskapsrådet

Drift av ALICE- och ATLAS-experimenten vid CERNs LHC-kolliderare.
Partikelfysikens huvudteori, Standardmodellen, beskriver materiens minsta byggstenar och hur de växelverkar med varandra. Denna modell beskriver enastående väl fysiken vid de energier som idag är tillgängliga för experimentella studier. När Higgspartikeln upptäcktes innebar det en experimentell bekräftelse av den mekanism som förklarar elementarpartiklarnas massor. Upptäckten blev möjlig genom världens mest kraftfulla partikelaccelerator LHC på CERN. Här studerar forskarna de partiklar som bildas när protoner accelereras till i stort sett ljusets hastighet och sedan krockar med varandra. Vid dessa kollisioner kan mycket tyngre partiklar än protonerna bildas. Där protonerna kolliderar har man byggt gigantiska apparater som detekterar vad som händer vid reaktionerna. Den apparat som de svenska forskargrupperna vid KTH, Lunds, Stockholms och Uppsala universitet arbetar med är stor som ett åttavåningshus och kallas ATLAS-detektorn. De svenska forskargrupperna har bidragit till och har ansvar för ett flertal komponenter i ATLAS, allt från delar av spårdetektorerna, där banorna hos de laddade partiklar som skapats i protonkollisionerna precisionsmäts, till komponenter av kalorimetersystemen där energin hos både laddade och neutrala partiklar mäts. Sverige har även bidragit till trigger-elektroniken i ATLAS, ett system som väljer ut de intressanta kollisioner från vilka data ska sparas eftersom antalet kollisioner vid LHC vida överskrider det antal som det är möjligt att registrera.

Att Higgspartikeln är hittad innebär inte på långa vägar att vi vet allt om universums byggstenar. Ett stort antal mysterier återstår att lösa, bl.a. frågan om den mörka materian. Den mörka materian skulle kunna utgöras av okända partiklar, som kallas WIMPs (weakly interacting massive particles), vilka skapades i Big Bang och finns kvar i universum sedan dess. Det finns ett flertal teorier inom partikelfysiken som förutsäger existensen av sådana partiklar. Den mest etablerade kallas supersymmetri och förutsäger att det till varje fundamental partikel skall finnas en superpartner som har liknande egenskaper men ändå skiljer sig bl.a. genom att de är mycket tyngre än våra ”vanliga” elementarpartiklar. Det finns även andra skäl än mörk materia att tro att det finns ny fysik runt hörnet vid LHCs höga kollisionsenergier. Viktiga frågor inom partikelfysiken kretsar kring Higgspartikeln och dess egenskaper, och en stor del av fysikprogrammet vid LHC handlar om att djupare studera processer som involverar Higgspartiklar. För att försöka hitta tecken på ny fysik genomför de svenska partikelgrupperna en mångfald av undersökningar i kollisionerna i ATLAS experimentet.

Materiens minsta beståndsdelar, kvarkarna, som normalt grupperar sig som tre kvarkar i protoner och neutroner eller som ett par av en kvark och en antikvark i mesoner gör inte detta vid extremt hög temperatur och täthet. I stället bildar de ett termodynamiskt system (stort som en atomkärna), som en gas eller vätska, av kvarkar, antikvarkar och gluoner, där de sistnämnda är den starka växelverkans kraftförmedlare. Tillståndet kallas kvark gluon plasma (QGP) och universums materia befann sig i detta tillstånd under den första miljondels sekunden efter Big Bang då dessa extrema temperaturer och tätheter rådde. QGP skulle alltså vara universums urmateria.

Vid LHC kan QGP bildas genom att tunga atomkärnor kollideras med varandra. Den höga energin vid LHC gör att plasmat har högre temperatur och livslängd än vid tidigare mätningar. En viktig metod att studera plasmat är med så kallade jets (en skur av partiklar som stammar från en kvark med hög rörelsemängd ) som modifieras av plasmat. Jetpartiklar skiljer sig från övriga partiklar (sk. mjuk produktion som dominerar i tungjonskollisioner) vid LHC:s energier och ALICE-experimentet är specialbyggt för att kunna studera jets. Eftersom den lågenergetiska partikelproduktionen berättar mycket om QGP:s kollektiva egenskaper är ALICE-experimentet utrustat med detektorer för partikelidentifiering av dessa. Specialdetektorn kallas TPC och den svenska gruppen från Lund, som gjort sitt instrumenteringsbidrag på denna detektor, arbetar med att pressa dess prestanda för partikelidentifiering mot högre rörelsemängder där mjuk produktion från plasmats fasövergång till hadroner möter nedbromsade jets, ett område där gruppens fysikanalys fokuseras. Medel söks för de svenska gruppernas drift av experimenten.