Ismertető
A TOTEM céljai
Minden részecske-ütközés vizsgálata esetén elsődlegesen fontos kérdés a teljes hatáskeresztmetszet megmérése. A teljes proton-proton hatáskeresztmetszet alacsony energián jól ismert, LHC energiákon azonban csak nagy bizonytalanságú kozmikus sugárzási adatokból nyerhetünk információt. A TOTEM méréseinek bizonytalansága az ún. optikai tételt felhasználó számítás alapján megbecsülve mindössze 1% lesz. A méréshez szükség van a a rugalmas és a rugalmatlan szórást szenvedett részecskék számára, méghozzá kis t értékeknél(ahol t a nyalábirányra merőleges impulzus négyzetét jelenti, azaz a kis t nagy rapiditásnak felel meg). A mérés kritikus része a rugalmas szórás extrapolálása a t=0 értékhez. A TOTEM kísérlet, amelynek neve a "Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC" rövidítéséből származik, a nagyon előre szórt, azaz nagyon kis t értékkel rendelkező szórt protonok észlelésére épült.
A rugalmas szórás és a diffrakció kinematikai képe látható az alábbi ábrán. Rugalmas szórásban csak impulzuscsere történik, a protonok nem bomlanak fel. Diffrakció esetén a kölcsönhatás eredményeként a protonok felbomolhatnak. A vízszintes tengelyen a pszeudorapiditás látható, amely a η=0.5*ln(tg(θ/2)) formulával számolható, ahol θ a merőleges szóródás szöge (azaz teljesen előreszóródás esetén 90 fok).
A TOTEM célja továbbá a proton szerkezetének mélyebb megértése diffraktív események vizsgálatán keresztül. A proton-proton ütközéses folyamatoknak sok, a protonszerkezethez és a QCD (kvantumszíndinamika; a kvarkok és gluonok kölcsönhatását leíró elmélet) alacsony energián mutatott viselkedéséhez kapcsolódó részletét nem értjük még teljesen. A diffraktív eseményekben (ahogy a fenti ábrán látható) a protonok vagy felbomlásuk esetén bomlástermékeik szintén nagy rapiditásnál (kis t értéknél) jelentkeznek. Ezen részecskék észlelése a diffraktív események részletes leírását teszi lehetővé. A diffrakció bonyolultabb folyamatai, ahol a központi régióban is keletkeznek részecskék, az alábbi ábrán láthatóak. Itt a Pomeron a kölcsönhatás során kicserélt részecskét jelenti.
A TOTEM felépítése
A TOTEM kísérletet úgy tervezték meg, hogy a fenti mérések elvégzésére alkalmas legyen. Ehhez nagy rapiditástartományt lefedő detektorokra van szükség, hogy a kijövő részecskék döntő hányadát észlelhessük. A TOTEM felépítése a fenti ábrán látható módon olyan, hogy a detektorai a nyalábhoz képest minél kisebb szögben érkező részecskéket észleljék. A TOTEM fő részei a "római edénynek" (Roman Pot) nevezett szilícium-detektorok és a T1 és T2 "teleszkópok". Ezen detektor-rendszerrel a rugalmas események 99,5%-a és a diffraktív események 84%-a észlelhető.
Alább látható a TOTEM detektorok elrendezése. Itt a felső, méretarányos ábrán az előreszóródott részecskéket észlelő T1 és T2 nyomkövető detektorok láthatóak, a CMS detektorai (halványan a háttérben) által körülvéve, az IP5 ütközési pont jobboldalán. Az alsó (szintén méretarányos) ábra az LHC nyalábcsöve mentén elhelyezkedő római edények (Roman Pot, RP) láthatóak. Az egyik állomás 147 méterre (RP147), a másik 220 méterre (RP220) található az ütközési ponttól. A TOTEM detektorainak másik fele az ütközési pont (IP5) túloldalán, szimmetrikusan helyezkedik el
A Roman Pot detektorok és a T1 és T2 teleszkópok
A nagymértékben előreszórt protonokat mozgatható, a nyalábcsőbe nyúló detektorok (azaz római edények) segítségével észlelhetjük - ezt a kísérleti technikát az ISR-nél vezették be, és azóta más gyorsítóknál is sikerrel alkalmazták. A TOTEM esetében ezt úgy alkalmazzuk, hogy a szilícium detektor-lapokat és a hozzájuk tartozó kiolvasó elektronikát ezekbe az úgynevezett római edényekbe, azaz Roman Pot detektorokba tesszük, és ezeket az edényeket másodlagos vákuumba helyezve csatlakoztatjuk a nyalábcső elsődleges vákuumrendszeréhez. A detektorokat az edényekkel együtt mozgathatjuk a nyalábtól a lehető legkisebb, de még biztonságos távolságra. Mivel így a nyalábhoz nagyon közel beérkező protonokat is érzékeljük, így az igen nagy rapiditású tartomány is rendelkezésünkre áll. A magyar csoport egyik feladata volt az edényekhez kapcsolódó szimulációk elvégzése. A római edényekben lévő detektor 3,5 cm-es oldalhosszúságú szilícium lapkákból áll, edényenként 10 darabból. A lapkákat 512 csíkra vagy csatornára osztották, így a különböző irányban elhelyezett lapkákkal a beérkező protonok transzverz pozícióját és ezáltal impulzusát tudjuk meghatározni. A lapokon megjelenő jelet úgynevezett VFAT chipekkel olvassuk ki, négy darab tartozik egy szilícium lapkához. Fontos látni, hogy a szilícium detektor-lapokat annyira tehetjük közel a nyalábhoz, hogy csak a szórt részecskék ütközzenek bele. Ehhez a nyalábvastagság (szigma) tízszeresének megfelelő távolságot választunk. A Roman Pot dektektorok láthatóak az alábbi ábrán.
A TOTEM előreszórást mérő teleszkópjai (T1 és T2) négyegységnyi rapiditástartományt fednek le. Szimmetrikusan helyezkednek el a CMS előreszórást mérő régiójához közel, az ütközési pont mindkét oldalán. Az alább látható ábrának megfelelő a felépítésük.
Fotók
Roman Pot prototípus:
Adatfelvevő chip:
Kép a TOTEM nyílt napjáról:
