Η συμμετοχή του Εργαστηρίου Φυσικής Υψηλών Ενεργειών του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων στο πείραμα CMS στον επιταχυντή LHC του CERN

Ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Πυρηνικών Ερευνών CERN εδρεύει στη Γενεύη και αποτελεί σήμερα το μεγαλύτερο Εργαστήριο Φυσικής Υψηλών Ενεργειών στον κόσμο. Ιδρύθηκε το 1954 και αποτέλεσε μία από τις πρώτες συλλογικές προσπάθειες της Ευρώπης στην έρευνα. Η Ελλάδα είναι ιδρυτικό μέλος του Οργανισμού. Το CERN, ως Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Φυσικής Υψηλών Ενεργειών, έχει κύριο στόχο την παροχή της απαραίτητης υλικοτεχνικής υποδομής για τη διεξαγωγή βασικής έρευνας επί των στοιχειωδών συστατικών της ύλης και των δυνάμεων που διέπουν τη συμπεριφορά τους.

Στο CERN κατά τη διάρκεια των τελευταίων 54 ετών λειτουργίας του έχουν κατασκευασθεί μερικοί από τους μεγαλύτερους επιταχυντές σωματιδίων στον κόσμο, όπως το Σύγχροτρο Πρωτονίων (PS), ο επιταχυντής SPS στον οποίο ανακαλύφθηκαν οι φορείς της Ασθενούς Αλληλεπίδρασης W και Ζ (Βραβείο Nobel Φυσικής το 1983), και ο μεγάλος επιταχυντής ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων (LEP). Στις αρχές της δεκαετίας του ΄90 ο Οργανισμός αποφάσισε την κατασκευή του Μεγάλου Αδρονικού Επιταχυντή Συγκρουομένων Δεσμών (Large Hadron Collider ή LHC) με σκοπό την πειραματική μελέτη της φυσικής σε υψηλότερες από έως σήμερα ενέργειες.

Ο LHC είναι ένας κυκλικός επιταχυντής περιμέτρου 27 χιλιομέτρων ικανός να επιταχύνει δύο αντίθετα περιστρεφόμενες δέσμες πρωτονίων (αργότερα και βαρέων ιόντων), να τις εστιάσει και να τις οδηγήσει σε σύγκρουση σε προκαθορισμένα σημεία. Η διαθέσιμη ενέργεια στο κέντρο μάζας των συγκρούσεων θα είναι, στην τελική φάση λειτουργίας του επιταχυντή με πρωτόνια, 14 TeV (περίπου 14.000 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα ενός πρωτονίου) ενώ η “λαμπρότητά” του θα είναι περίπου τριάντα φορές μεγαλύτερη από κάθε άλλον επιταχυντή που έχει κατασκευασθεί μέχρι τώρα. Για την επίτευξη αυτού του “τεχνολογικού θαύματος”, ο επιταχυντής θα λειτουργεί στους -271 βαθμούς Κελσίου (θερμοκρασία κατάλληλη για τη λειτουργία των υπεραγώγιμων μαγνητών του) ενώ τα πρωτόνια θα κινούνται μέσα του σε συνθήκες διαστημικού κενού (περίπου 10 φορές μικρότερο από τις συνθήκες που επικρατούν στη Σελήνη).

Στον επιταχυντή LHC θα λειτουργήσουν τα εξής τέσσερα μεγάλα πειράματα:

• Τα πειράματα CMS και ATLAS έχουν στόχο την πειραματική μελέτη της φυσικής στις ενέργειες των 14 GeV, η οποία αφορά ειδικότερα την ανίχνευση νέων στοιχειωδών σωματιδίων όπως το σωματίδιο Higgs, υπερσυμμετρικά σωματίδια, κ.α., τα οποία, εάν παρατηρηθούν, αναμένονται να παράσχουν ερμηνεία για την προέλευση της μάζας των σωματιδίων, την ύπαρξη σκοτεινής ύλης στο σύμπαν, κλπ.
• Το πείραμα ALICE που επικεντρώνεται στην αλληλεπίδραση βαρέων ιόντων και την πιθανή ύπαρξη νέων μορφών ύλης.
• Το πείραμα LHCb που στοχεύει στη μελέτη της παρατηρούμενης στο Σύμπαν ασυμμετρίας μεταξύ της ύλης και της αντιύλης και την επικράτηση τελικά της ύλης.

Τόσο ο επιταχυντής LHC όσο και τα πειράματα CMS, ATLAS, ALICE και LHCb είναι τεχνολογικά επιτεύγματα γιγαντιαίας κλίμακας, τεράστιας πολυπλοκότητας και βρίσκονται στην αιχμή της έρευνας και της τεχνολογίας. Ενδεικτικά, η κατασκευή του πειράματος CMS διήρκεσε περίπου 15 χρόνια. Το πείραμα περιλαμβάνει υπεραγώγιμο σωληνοειδή μαγνήτη διαμέτρου 5.9 μέτρων και μήκους 13 μέτρων, το μεγαλύτερο που έχει κατασκευαστεί ποτέ, και μαγνητικού πεδίου 4 Τέσλα, που είναι 100.000 φορές ισχυρότερο από το μαγνητικό πεδίο της γης. Περιλαμβάνει τον πρωτοφανή αριθμό των 80 περίπου εκατομμυρίων ανιχνευτικών στοιχείων, τα οποία παρέχουν χρήσιμη πληροφορία περισσότερη από 5 ακολουθούμενο από 15 μηδενικά bytes ανά έτος (5 Petabytes/year).

Ο επιταχυντής LHC όσο και τα πειράματα CMS, ATLAS, ALICE και LHCb υλοποιήθηκαν χάρη στη συλλογική προσπάθεια ενός πολύ μεγάλου αριθμού φυσικών, τεχνικών και μεταπτυχιακών φοιτητών – περί τους 2.500 ανά πείραμα – οι οποίοι προέρχονται από Πανεπιστήμια και Ερευνητικά Κέντρα όλου του κόσμου. Η λειτουργία του επιταχυντή και των πειραμάτων αναμένεται να διαρκέσει τουλάχιστον δύο δεκαετίες.

Το Εργαστήριο Φυσικής Υψηλών Ενεργειών (ΕΦΥΕ) του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων συμμετέχει στο πείραμα CMS (Compact Muon Solenoid) από τα πρώτα στάδια του σχεδιασμού και της ανάπτυξής του, στις αρχές της δεκαετίας του ΄90. Στη διάρκεια όλων αυτών των ετών η συμμετοχή του Εργαστηρίου ήταν ιδιαίτερα σημαντική κυρίως στην ανάπτυξη, την κατασκευή και τον έλεγχο του ανιχνευτή Preshower (ενός από τα ανιχνευτικά συστήματα του πειράματος CMS). Συγκεκριμένα, το Εργαστήριο ΦΥΕ είχε-έχει τις ακόλουθες δραστηριότητες:

• Ανάπτυξη και έλεγχος 600 μικρολωριδιακών ανιχνευτών πυριτίου μικροηλεκτρονικής τεχνολογίας (από τους 4500 του ανιχνευτή).
• Συμμετοχή στην ανάπτυξη του προτύπου των μικροηλεκτρονικών και ηλεκτρονικών ανάγνωσης – υβριδικών κυκλωμάτων επί του ανιχνευτή (on detector electronics), καθώς και των μητρικών καρτών που χρησιμοποιούνται στο πείραμα για τον έλεγχο των ανιχνευτών και τη διαχείριση των δεδομένων.
• Συμμετοχή στην ανάπτυξη των ηλεκτρονικών λήψης και επεξεργασίας σε πραγματικό χρόνο (off detector electronics) των δεδομένων του ανιχνευτικού συστήματος Preshower.
• Λειτουργικός έλεγχος 7000 κυκλωμάτων μικροηλεκτρονικής τεχνολογίας (PACE chips), 2000 υβριδικών κυκλωμάτων, 1000 μικρομονάδων και 400 εύκαμπτων καλωδίων kapton μεταφοράς ψηφιακής πληροφορίας , δηλαδή του 100%, 45%, 25% και 10% των αναγκών του ανιχνευτή αντίστοιχα.
• Ανάπτυξη του λογισμικού για τον ποιοτικό έλεγχο των δεδομένων (Data Quality Monitoring, DQM) του συστήματος κατά τη διάρκεια της λήψης των δεδομένων.
• Ανάπτυξη προγραμμάτων εξομοίωσης του ανιχνευτή με στόχο τη μελέτη για την in-situ βαθμονόμησή του.
• Ανάπτυξη λογισμικού για την ανάλυση δεδομένων από δέσμες σωματίων σε επιταχυντή κατά τον έλεγχο πρωτοτύπων διατάξεων.
• Υλοποίηση στο Εργαστήριο Φυσικής Υψηλών Ενεργειών του πρώτου κόμβου GRID (GR-07-UOI-HEPLAB) στο Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων και ευρύτερα στη Βορειοδυτική Ελλάδα, με σκοπό τη συμβολή του ΕΦΥΕ στην παγκόσμια επιστημονική προσπάθεια ανάλυσης των δεδομένων του πειράματος CMS. Ο κόμβος αποτελείται από 28 κεντρικές μονάδες επεξεργασίας και σήμερα συνεισφέρει στο σημαντικό ποσοστό 5% της προσφερόμενης υπολογιστικής ισχύος για το πείραμα CMS από τις χώρες της Νοτιοανατολικής Ευρώπης.

Η πρώτη δοκιμή λειτουργίας του επιταχυντή LHC έλαβε χώρα στις 10 Σεπτεμβρίου 2008 και περιελάμβανε την κυκλοφορία δεσμών πρωτονίων χαμηλής ενέργειας στις δύο κατευθύνσεις του επιταχυντή. Τα πειράματα του LHC είναι έτοιμα να αρχίσουν να ανιχνεύουν αλληλεπιδράσεις πρωτονίων στις ύψιστες προγραμματισμένες ενέργειες από την άνοιξη του 2009.