CERN: Το πείραμα ATLAS για την εποχή του Επιταχυντή LHC Υψηλής Φωτεινότητας

Ο LHC συχνά παρομοιάζεται με ένα πανίσχυρο μικροσκόπιο: μας επιτρέπει την έμμεση μελέτη σωματιδίων και φαινομένων που εκδηλώνονται σε κλίμακες χιλιάδες φορές μικρότερες από ένα πρωτόνιο. Ταυτόχρονα, λειτουργεί ως “χρονομηχανή”: αναπαράγει, σε ελεγχόμενο περιβάλλον, συνθήκες αντίστοιχες με εκείνες που επικρατούσαν στο Σύμπαν ένα απειροελάχιστο κλάσμα του χρόνου μετά τη γέννησή του (περίπου δέκα τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη).

Στο εσωτερικό του LHC, δύο δέσμες με εκατοντάδες τρισεκατομμύρια πρωτόνια κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις και επιταχύνονται σε ταχύτητες που αγγίζουν την ταχύτητα του φωτός. Κάθε 25 δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου οι δέσμες συγκρούονται μετωπικά και από κάθε σύγκρουση γεννιούνται μυριάδες νέα σωματίδια τα οποία εκτοξεύονται σαν θραύσματα προς όλες τις κατευθύνσεις.

Οι συγκρούσεις λαμβάνουν χώρα σε τέσσερα προκαθορισμένα σημεία της σήραγγας, καθένα από τα οποία περιβάλλεται από έναν κυλινδρικό ανιχνευτή μεγάλου όγκου. Οι γιγαντιαίοι αυτοί ανιχνευτές είναι εξοπλισμένοι με χιλιάδες ευαίσθητους αισθητήρες και υπερταχέα συστήματα ανάγνωσης σημάτων ώστε να καταγράφουν με ακρίβεια τον καταιγισμό σωματιδίων που παράγεται σε κάθε σύγκρουση. Αυτά τα σήματα μετατρέπονται σε ψηφιακά δεδομένα τα οποία αναλύονται από τους επιστήμονες προκειμένου να ανακατασκευάσουν τις τροχιές των παραγόμενων σωματιδίων, να μετρήσουν την ενέργειά τους και να προσδιορίσουν το είδος τους.

Οι έρευνες που πραγματοποιούνται με τη βοήθεια αυτών των ανιχνευτών βασίζονται στη συνεργασία χιλιάδων επιστημόνων από όλο τον κόσμο. Στόχος των ερευνών είναι να μελετηθούν τα θεμελιώδη συστατικά της ύλης και οι δυνάμεις που τα διέπουν αλλά και να δοθούν απαντήσεις σε μερικά από τα πιο συναρπαστικά ερωτήματα της σύγχρονης Φυσικής Υψηλών Ενεργειών, όπως  με ποιον τρόπο αποκτούν τα σωματίδια μάζα, τι είναι η σκοτεινή ύλη, εάν υπάρχουν περισσότερες διαστάσεις στο Σύμπαν απ’ όσες γνωρίζουμε και για ποιο λόγο επικράτησε η ύλη έναντι της αντιύλης.

Ένας από τους ανιχνευτές που λειτουργούν στον LHC είναι ο ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) – ο μεγαλύτερος σε όγκο κυλινδρικός ανιχνευτής σωματιδίων που έχει κατασκευαστεί ποτέ για χρήση σε επιταχυντή. Έχει μήκος 46 μέτρα, διάμετρο 25 μέτρα, ζυγίζει 7.000 τόνους (όσο περίπου ο Πύργος του Άιφελ) και χρησιμοποιεί περισσότερα από 100 εκατομμύρια ηλεκτρονικά κανάλια για την ανάγνωση των σημάτων που παράγονται όταν τα σωματίδια διέρχονται από τα πολλαπλά κυλινδρικά στρώματα των αισθητήρων του.

Ο Επιταχυντής LHC Υψηλής Φωτεινότητας

 Μετά από δεκαετίες ερευνών, η επιτυχημένη λειτουργία του LHC οδήγησε στην ανακάλυψη του μποζονίου Higgs το 2012 φέρνοντάς μας πιο κοντά στην κατανόηση του πως τα δομικά στοιχεία της ύλης απέκτησαν μάζα. Έκτοτε, ξεκίνησε ο σχεδιασμός της αναβάθμισής του επιταχυντή, με τελικό στόχο τον LHC Υψηλής Φωτεινότητας (High-Luminosity LHC ή HL-LHC). Η δεκαετής λειτουργία του HL-LHC, με έναρξη το 2030, αποτελεί κύρια προτεραιότητα της Ευρωπαϊκής Ερευνητικής Στρατηγικής για τη Φυσική Υψηλών Ενεργειών.

Κατά τη λειτουργία του HL-LHC, ο αριθμός των αλληλεπιδράσεων πρωτονίων σε κάθε σύγκρουση των δεσμών αναμένεται να αυξηθεί έως και δέκα φορές σε σύγκριση με τον σημερινό LHC. Η αύξηση αυτή –γνωστή ως υψηλή φωτεινότητα- συνεπάγεται δεκαπλασσιασμό του όγκου των δεδομένων που θα συλλέγουν τα πειράματα. Ενδεικτικά, ο HL-LHC αναμένεται να παράγει τουλάχιστον 15 εκατομμύρια μποζόνια Higgs κάθε χρόνο.

Ο μεγάλος όγκος δεδομένων θα επιτρέψει στους επιστήμονες να μελετήσουν σε βάθος όχι μόνο ήδη γνωστά φαινόμενα (όπως το μποζόνιο Higgs) αλλά και να εντοπίσουν πιθανές αποκλίσεις ανάμεσα στις πειραματικές μετρήσεις και τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου (του θεωρητικού πλαισίου που περιγράφει τα σωματίδια και τις αλληλεπιδράσεις τους). Τέτοιες αποκλίσεις, εάν επιβεβαιωθούν, θα εμπλουτίσουν την αντίληψή μας για τους θεμελιώδεις νόμους της φύσης.

Παράλληλα, ο HL–LHC θα ανοίξει το δρόμο για την αναζήτηση σωματιδίων των οποίων η ύπαρξη ενδέχεται να ρίξει φως σε μερικά από τα μεγαλύτερα αινίγματα της σύγχρονης φυσικής.

Οι μεγάλες τεχνολογικές απαιτήσεις για τα πειράματα του CERN

 Για να ανταποκριθούν στις απαιτητικές συνθήκες του HL-LHC, τα πειράματα του CERN, όπως το ATLAS, χρειάζονται ριζικές αναβαθμίσεις. Η πρώτη φάση των σχετικών εργασιών ολοκληρώθηκε το 2021 ενώ η δεύτερη αναμένεται να ξεκινήσει το 2026 όταν ο LHC θα τεθεί προσωρινά εκτός λειτουργίας.

Οι τεχνολογικές προκλήσεις των αναβαθμίσεων είναι πρωτοφανείς: απαιτούνται νέα ηλεκτρονικά συστήματα ανθεκτικά στην έντονη ακτινοβολία και ανιχνευτές με εξαιρετική ακρίβεια τόσο στην ιχνηλάτηση των παραγόμενων σωματιδίων όσο και στη χρονική στιγμή δημιουργίας τους.

Επιπλέον, πέρα από τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης και εξελιγμένων υπολογιστικών εργαλείων για την ανάλυση των δεδομένων, απαιτούνται ταχέα συστήματα σκανδαλισμού (triggers). Τα συστήματα σκανδαλισμού είναι κρίσιμης σημασίας: στον HL-LHC, τα πειράματα θα πρέπει να διαχειρίζονται έως και 8 δισεκατομμύρια αλληλεπιδράσεις πρωτονίων κάθε δευτερόλεπτο. Ο ρυθμός των παραγόμενων ψηφιακών δεδομένων θα αγγίζει τα 8 τρισεκατομμύρια Megabytes το δευτερόλεπτο, ρυθμός που είναι αδύνατον να καταγραφεί στα υπολογιστικά συστήματα. Επιπλέον, μόνο ένα πολύ μικρό ποσοστό αυτών των αλληλεπιδράσεων έχει επιστημονικό ενδιαφέρον. Εκεί επεμβαίνουν τα συστήματα σκανδαλισμού τα οποία πρέπει να εντοπίσουν με εντυπωσιακή ταχύτητα (σε εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου) τις αλληλεπιδράσεις που πρέπει να μελετηθούν (μόλις μία στο εκατομμύριο).

Νέο σύστημα ανίχνευσης σωματιδίων για το πείραμα ATLAS: οι «Νέοι Μικροί Τροχοί»

Ένα από τα σημαντικότερα έργα της πρώτης φάσης αναβάθμισης του πειράματος ATLAS αφορούσε το σύστημα σκανδαλισμού και τους ανιχνευτές του Φασματόμετρου Μιονίων (Muon Spectrometer) – του μεγαλύτερου υποανιχνευτή του ATLAS. Το Φασματόμετρο είναι εξοπλισμένο με περισσότερα από ένα εκατομμύριο ηλεκτρονικά κανάλια για την καταγραφή σημάτων, κυρίως από μιόνια (σωματίδια παρόμοια με τα ηλεκτρόνια αλλά περίπου 200 φορές βαρύτερα) τα οποία παίζουν κομβικό ρόλο στην αναζήτηση νέας φυσικής.

Το πιο τεχνικά απαιτητικό έργο αυτής της φάσης ήταν η εγκατάσταση στο Φασματόμετρο Μιονίων των Νέων Μικρών Τροχών (New Small Wheels –NSW), δύο κατασκευών σχήματος τροχού οι οποίες -παρά το όνομά τους- έχουν διάμετρο σχεδόν 10 μέτρα και βάρος άνω των 100 τόνων. Πάνω στους τροχούς είναι εγκατεστημένοι ανιχνευτές δύο διαφορετικών τεχνολογιών, με συνολικά 2.5 εκατομμύρια ηλεκτρονικά κανάλια ανάγνωσης σημάτων, σχεδιασμένοι να προσφέρουν υψηλής ακρίβειας ιχνηλάτηση και δυνατότητα σκανδαλισμού, ακόμα και στις ιδιαίτερα απαιτητικές συνθήκες του HL-LHC.

Μετά από μια δεκαετία ανάπτυξης και κατασκευής στις οποίες συμμετείχαν επιστήμονες, μηχανικοί και τεχνικοί από δέκα χώρες -μεταξύ των οποίων και η Ελλάδα- οι Νέοι Μικροί Τροχοί εγκαταστάθηκαν με επιτυχία στο πείραμα ATLAS, το 2021.

Η συμβολή των ελληνικών ερευνητικών ομάδων στό σύστημα «Νέοι Μικροί Τροχοί»

Πέντε ελληνικά ΑΕΙ (Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Εθνικό & Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών, Πανεπιστήμιο Δυτικής Αττικής, Πανεπιστήμιο Αιγαίου, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο) και το ερευνητικό κέντρο ΕΚΕΦΕ-Δημόκριτος συνέβαλαν στο έργο του συστήματος των Νέων Μικρών Τροχών, εστιάζοντας σε δύο τεχνολογικά κρίσιμους τομείς: στην κατασκευή των ανιχνευτών τύπου Micromegas (μιας καινοτόμου τεχνολογίας ανιχνευτών του συστήματος) καθώς και στην ανάπτυξη των νέων ηλεκτρονικών συστημάτων σκανδαλισμού και ανάγνωσης σημάτων.

Η σημαντική συνεισφορά των ελληνικών ομάδων αναγνωρίστηκε διεθνώς και  -μεταξύ άλλων- αποτυπώνεται στις βραβεύσεις νέων ερευνητών και φοιτητών (από το Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, το Πανεπιστήμιο Δυτικής Αττικής και το ΕΚΕΦΕ-Δημόκριτος) στα Βραβεία Εξαιρετικού Επιτεύγματος του πειράματος ATLAS που απονεμήθηκαν τα έτη 2022, 2024 και 2025.