Jelentős magyar hozzájárulással készült el a CERN új nyomkövető detektora

A mintegy 5 méter átmérőjű, 5 méter hosszú hengeres óriásdetektor egyik legfontosabb eleme több évig tartó fejlesztési munkát követően augusztusban került a helyére 56 méterrel a föld alatt a Nagy Hadronütköztető (Large Hadron Collider – LHC) 2. ütközési pontjában, az ALICE kísérlet földalatti mérőhelyén. Ezzel lezárult a CERN ALICE kísérlet Időprojekciós Kamrájának (Time Projection Chamber – TPC) modernizálása.

A 2015 óta épített, új elvek alapján fejlesztett detektor, az 1995 táján tervezett előző változatot váltotta le az ALICE hatalmas központi elektromágnesében. Ebben a K+F munkában jelentős feladatot vállalt a Wigner Fizikai Kutatóközpont – olvasható a kutatóközpont közleményében.

„Az ALICE TPC egy részecske-nyomkövető detektor, amely egy, a Nagy Hadronütköztető nehézion fizikai kutatásait célzó, speciális berendezés. A célja nem kevesebb, mint hogy a világegyetem születése utáni pillanatokban keletkezett anyag, a kvark-gluon plazma (Quark-Gluon Plasma – QGP) halmazállapot-tulajdonságait kutassa” – magyarázta a magyar ALICE-csoport vezetője, Barnaföldi Gergely Gábor.

„Az óriásdetektor szerkezetét úgy kell elképzelnünk, mint egy nagy, argon-széndioxid gázkeverékkel töltött hengert, egy kisembernyi lyukkal a közepén. Ebben a belső üregben helyezkedik el a szilíciumlapkákból álló nyomkövető, valamint legbelül a berillium nyalábcső, amiben az ütközések történnek” – teszi hozzá.

A detektorok a TPC korábbi változatában úgynevezett sokszálas proporcionális kamrákból épültek fel, amelyek összesen 72 részből álltak. Az ALICE TPC továbbfejlesztése során most ezeket a „tortaszeleteket” felváltották egy új, az úgynevezett gázelektron-sokszorozó (Gas Electron Multiplier – GEM) technológián alapuló elemek. Ebben a munkában részt vett a Wigner FK-ban Varga Dezső vezetésével működő Innovatív Gázdetektorok Lendület kutatócsoport is.

A GEM technológia újdonsága, hogy lehetővé teszi a folytonos adatkiolvasását a detektorból, így a másodpercenkénti 50000 ólom-ólom ütközések mindegyikében keletkező több tízezer részecskepálya szinte mindegyike rögzítésre kerülhet az új, akár 4 TB/s (Terabájt másodpercenként) sebességű kiolvasórendszernek köszönhetően.

„Az elmúlt 3 évben a CERN műhelyében több mint 800 GEM fóliát készítettek el, miközben pedig az új kamrák és elektronikák elkészítése és tesztelése is folyt szerte a világban. A részegységek összeépítése meglehetősen komoly logisztikai feladat – mondja Barnaföldi -, különösen, hogy három kontinensen folytak párhuzamosan a fejlesztések. Az ALICE TPC csapat együttesen dolgozott a fejlesztés utolsó lépésein, amelyeket a CoVid-19 járvány kitörése mellett is képesek voltak sikeresen lezárni” – mondta.

A CERN gyorsító komplexumának második hosszú leállása alatt először kiemelték a TPC modulját a földalatti csarnokból, majd a felszínen a keretével együtt áttették egy, a feladat végrehajtására épített tiszta szobába. Darukkal, emelőkkel és egy speciális kamionnal volt csak megoldható a biztonságos szállítás. Több mint egy évbe telt a kamrák kicserélése, az elektronikák installálása és a komplex tesztelések végrehajtása (ez utóbbit lézerekkel, kozmikus sugárzással és röntgensugárzással végezték). 2020 júliusában a TPC készen állt arra, hogy visszahelyezzék a föld alá.

A Magyar ALICE Csoport szerepvállalása igen jelentős volt ebben a projektben, hiszen a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal (NKFIH) pályázata által támogatott kutatások és fejlesztések egy része a Wigner Fizikai Kutatóközpontban zajlott. Heti rendszerességgel érkeztek a GEM fóliák, amelyek tesztje éjjel-nappal folyt az intézet speciálisan erre a célra kialakított tiszta helyiségében, több speciálisan kifejlesztett automatikus szkenner segítségével.

A 800 fólia mintegy felének minőség-ellenőrzését Csillebércen, a többit Helsinkiben végezték. A tesztelt fóliákat masszív keretre ragasztották, majd ezekből építették össze a 72 új GEM-es kamrát az USA és Európa több intézetében. Ezeket aztán külön-külön is tesztelték a CERN-ben egy nagyenergiás röntgenforrással. Ez utóbbi tesztekben szintén részt vettek a wigneres kollégák, valamint segítettek a kamrák hőmérsékleti szenzorainak és az egyéb elektronikáknak az installálásában, kábelezésében, földelésében. A magyar csoport az összeszerelést követően a helyszíni röntgen és kozmikus tesztekben is részt vett, majd a pandémiás helyzet beálltával, itthonról távmunkában végezték a méréseket és a detektorok tesztelését. A Magyar ALICE Csoport TPC-fejlesztésben résztvevő meghatározó tagjai: Barnaföldi Gergely Gábor csoportvezető, Boldizsár László, Gera Ádám, Hamar Gergő, Varga Dezső, Vargyas Márton.