Grupa naukowców z Wydziału Fizyki PW prowadzi badania w ramach współpracy z eksperymentem NA61/SHINE znajdującym się w największym na świecie ośrodku badawczym fizyki jądrowej – CERN. Ośrodek zlokalizowany jest na granicy Szwajcarii i Francji pod Genewą. Eksperyment NA61/SHINE zrzesza fizyków z całego świata, ale bardzo duży wkład mają polskie zespoły badawcze, stanowiące aż 30% wszystkich grup.

Jednym z głównych punktów programu fizycznego eksperymentu jest badanie stanu materii obecnego w początkowej fazie istnienia wszechświata, tzw. plazmy kwarkowo-gluonowej. Plazma kwarkowo-gluonowa powstaje przy bardzo wysokim ciśnieniu lub bardzo wysokiej temperaturze. W jej obrębie kwarki i gluony, najbardziej podstawowe znane nam budulce materii, poruszają się swobodnie (w normalnych warunkach występują tylko w stanie związanym). Warunki do produkcji plazmy osiągane są przy zderzeniach ciężkich jonów w laboratorium CERN. By zrozumieć jak ukształtowała się materia, którą obecnie obserwujemy, niezbędne jest zrozumienie natury plazmy kwarkowo-gluonowej.

NA61/SHINE jest eksperymentem stacjonarnej tarczy. Oznacza to, że rozpędzona wiązka cząstek uderza w nieruchomą tarczę, za którą znajduje się układ detekcyjny. Gęstość energii zderzenia jest na tyle duża, że zgodnie ze słynnym równaniem Einsteina E=mc², z energii zaczyna się produkować masa (zaczynają produkować się nowe cząstki, które możemy zarejestrować w układzie detekcyjnym).

Modernizacja eksperymentu

Obecnie NA61/SHINE jest usprawniany, w czym duży udział mają naukowcy z PW. M.in. wymieniana jest elektronika odczytowa głównych detektorów rejestrujących trajektorie cząstek – komór projekcji czasowej (TPC – Time Projection Chamber). Budowany jest także nowy detektor, tzw. detektor wierzchołka (VD – Vertex Detector), bazujący na technologii sensorów krzemowych. Technologia ta używana jest na przykład w aparatach smartfonów, a użyte sensory detektora są w stanie robić do 8000 “zdjęć” na sekundę. Celem przeprowadzanej modernizacji jest badanie produkcji „otwartego powabu” (cząstek zawierających w składzie kwark powabny, bez kwarku anty-powabnego). Ponowne uruchomienie zmodernizowanego układu detekcyjnego i pierwsze zbieranie danych planowane jest na tegoroczne lato.

Detektor wierzchołka (VD – Vertex Detector) - zbliżenie na sensory, fot. nadesłane

 – Kwarki powabne są jednymi z kwarków cięższych. Produkowane we wczesnych fazach po zderzeniu, mogą nieść informacje o produkcji plazmy kwarkowo-gluonowej – wyjaśnia mgr inż. Wojciech Bryliński. – Cząstki niosące otwarty powab nigdy jeszcze nie zostały bezpośrednio zbadane przy energii akceleratora SPS, a przewidywania modeli teoretycznych na ilość wyprodukowanych kwarków powabnych różnią się o dwa rzędy wielkości względem siebie. Zbadanie produkcji kwarków powabnych dostarczy unikatowych wyników i przyczyni się do lepszego zrozumienia praw rządzących produkcją kwarków ciężkich.

Dokładność i precyzja

Cząstki niosące powab rozpadają się bardzo szybko po produkcji. Czas życia jest na tyle krótki, że ich badanie wymaga niesamowicie precyzyjnego detektora, który pozwoli na rekonstrukcję punktu rozpadu z dokładnością sięgającą mikrometrów. Taką precyzję zapewni konstruowany obecnie detektor wierzchołka.

Rekonstrukcja zderzenia Pb+Pb przy pędzie wiązki 150A GeV/c

– Prototyp takiego detektora został zainstalowany w 2016 roku i brał udział między innymi w zbieraniu danych dla zderzeń Xe+La przy pędzie wiązki 150 GeV/c – opowiada mgr Bryliński. – Analiza zebranych danych jest przedmiotem prac wykonywanych w ramach konkursu na granty badawcze FWEiTE-1. Dotychczas udało się przeprowadzić dokładną kalibrację pozycji sensorów krzemowych oraz rozpocząć analizę produkcji mezonów D , czyli najlżejszych cząstek niosących „otwarty powab”. Obiecujące wstępne wyniki potwierdzają koncept pomiaru oraz słuszność przyszłego programu fizycznego eksperymentu.

Rekonstrukcja zderzenia Xe+La przy pędzie wiązki 150A GeV/c

Kolejne aspekty projektu

Nie tylko analizą danych zajmuje się grupa badaczy z Wydziału Fizyki PW. Nasi naukowcy zaangażowani są również w przygotowanie samego detektora wierzchołka oraz oprogramowanie systemu akwizycji danych.

 – Pracujemy również nad systemem detekcji i redukcji szumu w zbieranych danych – mówi mgr Bryliński. – Wymieniona elektronika komór projekcji czasowej pozwoli na dziesięciokrotnie szybsze zbieranie danych. Przy tak dużych ilościach danych, niezbędne jest narzędzie do filtrowania szumu w locie, zanim dane zostaną zapisane na dysk.

W celu wyeliminowania szumu, wykorzystywane jest uczenie maszynowe. – Wytrenowana sieć neuronowa jest w stanie rozpoznać sygnał pochodzący od cząstek przelatujących przez detektor oraz sygnał pochodzący między innymi z szumu elektroniki – wyjaśnia dalej mgr Bryliński. – W ten sposób zebrane dane mogą zostać przefiltrowane.

Wstępne wyniki podejmowanych prób pokazują skuteczność algorytmu sięgającą ponad 90%. Dzięki tej metodzie eliminacji szumu będzie można zredukować ilości zapisywanych danych o ponad połowę.

Projekt "Badanie fluktuacji oraz produkcji hadronów w zderzeniach jonów w eksperymencie NA61/SHINE" realizowany jest w ramach konkursu na granty badawcze IDUB-POB-FWEiTE-1.

Skład zespołu badawczego:

• Wojciech Bryliński, mgr inż., doktorant, Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej, nauki fizyczne
• Anna Kawęcka, inż., student, Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej, fizyka i technika jądrowa
• Maja Maćkowiak-Pawłowska, dr inż., Adiunkt, Wydział Fizyki Politechnika Warszawska, nauki fizyczne
• Marcin Słodkowski, dr inż., adiunkt, Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej, nauki fizyczne
• Dariusz Tefelski, dr inż., adiunkt, Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej, nauki fizyczne
• Jakub Zieliński, inż., student, Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej, fizyka i technika jądrowa

  Źródło informacji: materiały nadesłane przez mgr. inż. Wojciecha Brylińskiego.