Kuuman kvarkkiaineen tutkimus ALICE-kokeessa

CERNin suuren hadronitörmäyttimen, LHC:n, varrella on neljä suurta koeasemaa, joista jokaisella on omat painoalueet tutkimuskohteissa. CMS ja ATLAS ovat yleiskokeita, jotka ottavat vastaan mahdollisimman suuren määrän törmäyksiä. Tyypillisesti kokeet pyrkivät valitsemaan liipaisuehdoilla (trigger) kiinnostavia ja harvinaisia tapahtumia, joiden pohjalta etsitään uusia hiukkasia ja vuorovaikutuksia. LHCb-kokeen mittalaitteet keskittyvät etusuuntaan. Eräs LHCb-kokeen erikoisalueista on b-kvarkkeja sisältävien hadronien mittaukset, joilla tavoitellaan ymmärrystä maailmankaikkeudessa vallitsevasta hiukkasten ja antihiukkasten epätasapainosta. ALICE-koe on erikoistunut kvanttiväridynamiikan (QCD) tutkimuksiin, erityisesti raskasionitörmäyksissä syntyvän kvarkki-gluoniplasman (QGP) ominaisuuksien kartoittamiseen.

Normaaleissa olosuhteissa kvarkit ja gluonit ovat kahliutuneet hadronien sisään, eikä luonnossa olla koskaan havaittu yhtään vapaata kvarkkia. Tämä on yksi keskeinen ero sähkömagneettisen ja vahvan vuorovaikutuksen välillä. Atomin voi ionisoida, eli varsin pieni määrä energiaa riittää elektronin viemiseen äärettömän kauas atomin ytimen läheisyydestä. Saman tekeminen vaikkapa protoniin sitoutuneelle kvarkille ei onnistu. Vahvan vuorovaikutuksen (potentiaali)energia kasvaa etäisyyden kasvaessa ja yritys yhden kvarkin viemiseksi kauas protonista voi purkautua vaikkapa kvarkki-antikvarkkiparin muodostumisella, jolloin lopputilassa nähdään vapaan kvarkin sijasta baryoni ja mesoni, eli kaksi erillistä kvarkkien muodostamaa sidottua tilaa.

Erityisen mielenkiintoinen tilanne syntyy, kun kuumennamme hadroneista koostuvan aineen äärimmäiseen, yli 2000 miljardin asteen, lämpötilaan tai vaihtoehtoisesti puristamme sitä kasaan paineisiin, jotka vallitsevat raskaiden neutronitähtien ytimissä. Tuolloin tiheys kasvaa niin suureksi, että hadronien varaussäteet alkavat mennä päällekkäin ja kvarkit vapautuvat kahliutumisesta tiheän aineen sisällä. Neutronitähtien ytimissä esiintyvää ainetta kutsutaan kylmäksi kvarkkiaineeksi, jonka ominaisuuksia tutkitaan HIP:ssä Aleksi Vuorisen vetämässä teoriaprojektissa. Varhainen, alle 10 mikrosekunnin ikäinen, maailmankaikkeus oli täynnä kuumaa kvarkkiainetta. Vastaaviin olosuhteisiin päästään laboratoriossa tutkimalla raskaiden ytimien törmäyksiä, joissa syntyy atomin ytimen kokoinen kuuma ainepisara. Sekä kuuman että kylmän vahvasti vuorovaikuttavan aineen tapauksessa kyse on olomuodon muutoksesta tavallisesta aineesta plasmaksi. Vertailun vuoksi, sähkömagneettinen plasma koostuu ioneista, eli siinä on vapaita sähkövarauksia. Vastaavasti QCD plasmassa on vapaita värivarauksia. Kvarkki-gluoniplasman olemassa olon katsotaan saaneen kokeellisen varmistuksen viimeistään Brookhavenin kansallisessa laboratoriossa (BNL) sijaitsevalla RHIC-törmäyttimellä tehdyissä mittauksissa. Siten tänä päivänä QGP:n kokeellinen ja teoreettinen tutkimus keskittyy enemmän aineen yksityiskohtaisempien ominaisuuksien ymmärtämiseen, kuten esimerkiksi QGP:n leikkausviskositeetin määrittämiseen. Kuva 1 esittää eri aineiden leikkausviskositeetin ja entropian suhdetta, joka mittaa aineen juoksevuutta, kunkin aineen faasitransitiolämpötilan ympärillä. Vaikka QGP:n absoluuttinen viskositeetti on erittäin suuri, sen juoksevuus on jopa pienempi kuin nestemäisellä heliumilla. QGP onkin ideaalisin tunnettu neste.

Kuva 1: Eri aineiden leikkausviskositeetteja faasitransition ympäristöstä. Kuva artikkelista Lacey et
al., Phys. Rev. Lett. 98 (2007) 092301

ALICE-kokeen suunnittelu alkoi jo 80-luvulla ja kokeesta jätettiin CERNiin Letter of Intent 1. maaliskuuta 1993 (Kuva 2). Tuolloin relativistisen raskasionifysiikan mittaukset nähtiin paljolti ns. ”pehmeiden havaintojen” (englanniksi soft probes) kautta, joihin liittyy keskeisesti aineen kemiallisen koostumuksen ja matalaenergisten fotonien tutkimus. Siten ALICE koe rakennettiin maailman suurimman TPC:n (Time Projection Chamber) ympärille maltillisessa 0.5 T magneettikentässä, jotta mitattuihin ratoihin saataisiin mahdollisimman tarkka hiukkasten tunnistus pieniin liikemääriin saakka. TPC tunnistaa (sähköisesti varatut) hiukkaset kaasussa tapahtuvan energiahäviön perusteella. Sen lisäksi ALICE-kokeessa hiukkasten tunnistamista tuetaan muun muassa lentoaikamittauksilla, Tšerenkovin säteilyn mittauksilla sekä ”pienellä”, mutta erittäin hienojakoisella, sähkömagneettisella kalorimetrillä. Perusajatus poikkeaa erittäin huomattavasti ATLAS and CMS kokeista, joiden keskeisissä fysiikkatavoitteissa hiukkasen tunnistus ei ole yhtä merkittävässä roolissa. Lisäksi näissä kokeissa käytetään voimakkaampaa magneettikenttää, jolloin hiukkasten ratoja saadaan paremmin mitattua suuremmille liikemäärille, joskin samalla pienen liikemäärän alue kärsii. ATLAS ja CMS kokeiden kalorimetrit ovat hieman karkeampia, mutta kattavat paljon suuremman akseptanssin. Nämä painoalueet antavat erittäin hyvän suorituskyvyn esimerkiksi jettien tutkimukseen.

Kuva 2: (vasen) Alkuperäinen ALICE suunnitelma vuodelta 1993. Kuva: A Letter of Intent for A Large
Ion Collider Experiment [ALICE], CERN-LHCC-93-016 ; LHCC-I-4. (oikea) ALICE LS2 jälkeen.

Alkuperäisen suunnitelman mukaan ainoastaan ALICE-kokeen oli tarkoitus mitata lyijy-lyijy törmäyksiä LHC:ssa muiden kokeiden ollessa pois päältä samaan aikaan. RHIC-törmäyttimen kokeelliset mittaukset kuitenkin muuttivat raskasionifysiikan tutkimuskenttää merkittävällä tavalla. Erityisesti jettien energiahäviöiden löytymisen seurauksena suurienergisten, eli ”kovien prosessien” (hard probes), merkitys raskasionifysiikan tutkimuksessa kasvoi. Toisekseen mittausten perusteella tuli ilmeiseksi, ettei törmäyksessä tuotettujen hiukkasten lukumäärä, multiplisiteetti, tule olemaan LHC-energialla niin suuri kuin 80-luvulla ennustettiin. Näiden seurauksena tultiin lopulta tilanteeseen, missä kaikki LHC-kokeet mittaavat kaikkia törmäyssysteemejä, protoni-protoni, protoni-lyijy ja lyijy-lyijy törmäyksiä. Kehityksellä on erittäin suuri merkitys koko raskasionifysiikan kentälle, sillä CMS ja ATLAS kokeet pystyvät monissa koviin prosesseihin liittyvissä aiheissa, kuten esimerkiksi W ja Z bosonien mittauksissa raskasionitörmäyksissä, laajentamaan fysiikan mittauksia huomattavasti siitä, mihin ALICE olisi yksin pystynyt. Monipuolisempien fysiikan mittausten – ja teoreettisen tutkimuksen – lisäksi kaikkien kokeiden osallistumisella raskasionitörmäysten mittaamiseen on sekin ilmeinen arvo, että kaikki kokeet voivat hyödyntää kaiken suihkuajan LHC:ssa. Jatkossa keskityn yksinomaan ALICE-kokeeseen tässä kirjoituksessa.

LHC:ssa on meneillään toinen pitkä huoltotauko, Long Shutdown LS2, jonka aikana ALICE ja LHCb kokeisiin tehdään erittäin merkittävät päivitykset. ATLAS ja CMS kokeiden osalta LS3 on merkittävämpi, koska sen jälkeen siirrytään ”high-luminosity” aikaan LHC:ssa, eli protoni-protoni mittauksissa törmäystaajuutta kasvatetaan huomattavasti. Seuraavassa kuvaan lyhyesti ALICE-kokeen päivitystä ja sen motiiveja, sekä Suomen osallistumista päivitykseen.

Kaikkien kokeiden osallistuminen raskasionitörmäysten mittaamiseen rikastaa LHC:n fysiikkaohjelmaa. Sivutuotteena se myös lisää kokeiden välistä tieteellistä kilvoittelua. Raskasionifysiikan osuus LHC:n suihkuajasta on pieni. Siten on selvää, että ALICE-kokeen täytyy erikoistua ja pystyä osoittamaan osa-alueita, joissa kokeella on erityisiä vahvuuksia muihin LHC-kokeisiin verrattuna. Kuten kerroin, ALICE-koe alun perin suunniteltiin erityisesti matalan liikemäärän ja hyvän hiukkasten tunnistuksen näkökulmasta, koska kuuman QCD aineen kemiallinen koostumus oli kokeen suunnittelun aikaan keskiöissä. ALICE:en tällä hetkellä tehtävän päivityksen on tarkoitus vahvistaa näitä ominaisuuksia ja rakentaa fysiikan ohjelmaa niiden päälle.

Eräs perinteinen tutkimusalue raskasionifysiikassa on termisten fotonien ja dileptonien mittaaminen. Fotonit ja dileptonit eivät koe vahvaa vuorovaikutusta, joten niiden vapaa matka QCD aineessa on pitkä atomin ytimen mittakaavassa, arvioiden mukaan suuruusluokkaa 100 fm. Niinpä ne karkaavat törmäysalueelta ilman sekundäärisiä vuorovaikutuksia ja niissä on nähty paljon mahdollisuuksia mitata suoraan vaikkapa törmäyksessä syntyneen tulipallon keskustan lämpötilaa. Toisaalta rho-mesonin on havaittu levenevän raskasionitörmäyksissä, mikä on liitetty kiraalisymmetrian palautumiseen. Fotoneista ja dileptoneista on tehty runsaasti mittauksia SPS ja RHIC kokeissa. Valitettavasti vastaavat mittaukset ovat LHC-energioilla huomattavasti vaikeampia, sillä esimerkiksi fotonien tapauksessa hadronisten resonanssien hajoamisissa syntyvät fotonit enenevässä määrin dominoivat kaikkien fotonien jakaumia, minkä seurauksena signaalin suhde taustaan heikkenee energian kasvaessa. Mittauksen mahdollistamiseksi tarvitaan erittäin paljon statistiikkaa.

Yksi ALICE:n merkittävimmistä tutkimusalueista liittyy raskaiden kvarkkien mittauksiin. Niiden tapauksessa prosesseihin liittyy lopputilan massojen kautta iso tyypillinen skaala, minkä ansiosta häiriöteoreettiset laskut ovat paremmin kontrolloituja. LHC:n kahden ensimmäisen ajon aikana ALICE on mitannut kiinnostavia tuloksia mm. hadronisaatioon liittyen, sillä LHC-energialla törmäyssysteemin tiheys on kasvanut niin merkittävästi, että raskaiden kvarkkien rekombinaatio on noussut esiin uutena ilmiönä verrattuna RHIC-törmäyttimen kokeissa tehtyihin mittauksiin. LHC:n kahden ensimmäisen ajon aikana tehtyihin raskaisiin kvarkkeihin liittyvissä mittauksissa on usein merkittävät statistiset epävarmuudet ja myös osaa systemaattisista epävarmuuksista voisi pienentää lisäämällä statistiikkaa. Vuosien varrella ALICE-kokeen erinomaista hiukkasten tunnistuksen radoissa on opittu soveltamaan myös ehkäpä hieman yllättävissäkin (?) tilanteissa. Kuvassa 3 esitetään ALICE:n mittaus hypertritonin elinajalle. (Lambda-)Hypertriton on protonin, neutronin ja lambda-baryonin muodostama sidottu tila. Tila on tunnettu jo pidemmän aikaa, mutta sen elinajan mittauksissa on ollut epävarmuuksia. Teoreettisten mallien kannalta on keskeistä esimerkiksi se, onko elinaika lähellä lambdan elinaikaa, vai jotain muuta. Tulokset näyttävät, että ALICE pystyy tällä hetkellä tarkimpaan mittaukseen maailmassa. Tämä on esimerkki laajemmasta kehityksestä kokeen sisällä, missä ratailmaisimen mahdollisuuksia hyödynnetään eksoottisten keveiden ytimien havaintoihin.

Kuva 3: Mittauksia ja teoreettisia malleja hypertritonin elinajalle vuodesta 1964 eteenpäin.

Kaikkia edellä mainittuja esimerkkejä yhdistää tarve suurelle statistiikalle ja erityisesti se, että näihin mittauksiin ei voida rakentaa dedikoitua liipaisuehtoa. Niinpä ALICE-kokeen päivitykselle muodostui kolme keskeistä periaatetta:

  1. säilytetään kyky hiukkasten tunnistuksessa,
  2. lisätään raskasionitörmäysten statistiikka 50-100 kertaiseksi ja
  3. kerätään data ilman liipaisuehtojen käyttöä (minimum bias trigger)

Nämä kolme tavoitetta on määritellyt ALICE:en LS2:n aikana tehtävän päivityksen reunaehdot. Esitän seuraavaksi päivityksestä jotain nostoja, kokonaisuuden käsittely olisi hieman pitkällinen.

ALICE:n datan keruu on täytynyt uudistaa perusteellisesti. Kahden ensimmäisen ajon aikana ALICE mittasi lyijy-lyijy törmäyksiä tyypillisesti n. 500 Hz taajuudella. Tulevan ajon aikana törmäystaajuutta kasvatetaan tekijällä 100 aina 50 kHz asti. Tämän seurauksena ilmaisimien datan keräämisen elektroniikka (readout electronics) on täytynyt päivittää suurelta osin. Suomi osallistui TPC:n päivitykseen, missä lankakammiot korvattiin GEM-kalvoihin perustuvalla mittaussysteemillä. HIP:n detektorilaboratoriossa tehtiin iso työ laadunvarmistuksessa, missä isoja GEM-kalvoja tutkittiin optisten skannereiden avulla ja testattiin korkeajännitteellä. ALICE:en rakennetaan uusi seitsenkerroksinen CMOS pikselisensoreihin perustuva ratailmaisin (ITS = Inner Tracking System), jossa 5×5 mikrometrin pikselikoko parantaa huikeasti paikkaresoluutiota, materiaalin määrä vähentyy 0,35 % X/X0 per kerros ja ensimmäinen kerros tulee 2,3 cm etäisyydelle törmäysakselista. Päivitys parantaa merkittävästi resoluutiota ja erityisesti verteksien paikantamista. Erinomaista tarkkuutta sekundääristen verteksien paikan määrityksessä edellytetään mm. raskaisiin kvarkkeihin liittyvissä mittauksia. Samaan teknologiaan pohjaten rakennetaan etusuuntaan ratailmaisin, Muon Forward Tracker, joka nimensä mukaisesti pyrkii tarkentamaan myonien ratoja sekä niihin liittyviä sekundääriverteksejä.

Kuva 4: Fast Interaction Trigger (FIT) -ilmaisimen komponentit

ALICE-kokeen etusuunnan ilmaisimet menevät suurelta osin uusiksi LS2 aikana. Keskeisimpänä uudistuksena rakennetaan uusi vuorovaikutusilmaisin, Fast Interaction Trigger detector FIT, missä on kolme erillistä osailmaisinta (kuva 4). Molemmin puolin vuorovaikutuspistettä sijaitsee FIT Diffractive Detector ilmaisimet, jotka ovat 17 m ja 19,5 m etäisyyksillä vuorovaikutuspisteistä. Niiden tehtävänä on vahvistaa diffraktiivisen fysiikan mittauksia ALICE:ssa sekä auttaa poistamaan varsinaisen suihkun ja suihkuputken tyhjiössä olevan residuaalikaasun välisissä törmäyksissä syntyneitä tapahtumia. Tarkan törmäysajan mittaamiseen rakennetaan FT0 ilmaisimet, jälleen molemmin puolin vuorovaikutuspistettä. Odotettu aikaresoluutio lyijy-lyijy törmäyksissä on 10 ps suuruusluokkaa. Tarkka törmäysaika on keskeistä mm. lentoaikamittauksissa. Kokonaisuuteen kuuluu myös suuren akseptanssin FV0 ilmaisin, joka mittaa esimerkiksi raskasionitörmäyksen keskeisyyttä ja törmäystasoa kulmaa. (FT0 ja FV0 nimityksillä on historiallinen tausta.) Erityisesti, FIT toimii ALICE:n luminometrinä tarjoten on-line tiedon LHC:n suihkun operaattoreille. Ilmaisin tuottaa myös kokeen minimum bias triggerin. Lyhyesti sanottuna, ilman FIT-ilmaisinta ALICE ei mittaa yhtäkään törmäystä. Suomi osallistuu FIT-ilmaisimeen merkittävällä rahallisella panoksella ja puolet ryhmästämme työskentelee ilmaisimen parissa.

Datan hallinta tuo mukanaan merkittäviä haasteita LS2 jälkeen. ALICE:n tavoitteena on tallentaa jokainen lyijy-lyijy törmäys 50 kHz taajuudella. Kuitenkin, mittalaitteet tuottavat raakadataa 3,5 TB sekunnissa, joten raakadatan tallentaminen on yksinkertaisesti mahdotonta. Tämän seurauksena ALICE on päätynyt uudenlaiseen rohkeaan datanhallintaan. Ilmaisimista tuleva raakadata kerätään aluksi FLP (First Level Processors) laskentafarmiin, jonka päätehtävänä on koota kaikkien ilmaisimien data yhteen ja lähettää ne seuraavalla EPN (Event Processing Nodes) farmille. EPN koostuu noin 2000 CPU ja GPU yksiköstä, joiden tehtävänä on keskeisiltä osiltaan rekonstruoida eventit on-line, erityisesti suorittaa klusterointi ja sovittaa perus ratamalli TPC informaatioon. Tämän jälkeen levylle tallennetaan vain hyvin redusoitu informaatio, kuten klusterit, ja varsinainen raakadata dumpataan. Koko prosessin aikana datavirta redusoituu 100 GB/s (raskasionitörmäysten aikana), joka tallennetaan levylle. Kerätyn datamäärän suuren koon takia myös sen louhinta fysiikka-analyysien yhteydessä täytyy optimoida kootusti laskenta-ajan säästämiseksi.

Meidän tutkimusryhmämme keskittyy kollektiivisen virtauksen ominaisuuksien tutkimiseen hienovaraisten korrelaatioiden avulla. Tulevaisuuden tavoitteena on mm. pyrkiä erottelemaan leikkaus- ja bulkkiviskositeetista aiheutuvia efektejä toisistaan. Lisäksi tutkimme (pienen energian) jettien poikittaisrakenteen sekä dijettien massajakaumien muutoksia. Puskeminen kohti pientä jetin energiaa on melko tyypillistä ALICE kokeelle, koska sillä alueella olemme kilpailukykyisiä ATLAS ja CMS kokeiden kanssa, vaikka jettifysiikka       onkin niiden kokeiden paraatilajeja. ALICE:n uusi strategia datanhallintaa on oikein hyvä myös näiden aiheiden näkökulmasta. ALICE-kokeessa valmistaudutaan myös keskipitkän ja pitkän aikavälin päivityksiin. LS3 (2025-2027) aikana ALICE tavoittelee ratailmaisimen päivitystä. Silloin kolme sisintä kehää on tarkoitus korvata kaareville silikoni-ilmaisimilla (Kuva 5), joissa pyritään vähentämään materiaali häkellyttävään 0,05 % X/X0 per kerros! Tämän päivityksen jälkeen tavoittelemme muun muassa herkkyyttä Lambda-c ja Lambda-b hiukkasten mittauksille. Kaarevien silikoni-ilmaisimien R&D kampanja on täydessä vauhdissa ja edistyy oikein hyvin. ALICE on jo tuottanut testisuihkudataa kaareutettujen ilmaisimien kanssa ja tulokset ovat olleet erittäin hyviä.

Kuva 5: ITS-päivityksen jälkeen (LS3) kolme ensimmäistä kerrosta ovat kaarevia ilmaisimia. Kuva: Letter of Intent for an ALICE ITS Upgrade in LS3, CERN-LHCC-2019-018 ; LHCC-I-034

Suomalaisia erityisesti kiinnostava LS3:n aikana tehtävä päivitys on etusuuntaisen kalorimetrin lisääminen ALICE:en. Kalorimetrin tarkoituksena on mitata mm. suoria fotoneita ja neutraaleja pioneja etusuunnalla suurella tarkkuudella. Tuloksia voidaan käyttää ydinpartonijakaumien rajoittamiseen sekä tuloksien avulla pyritään löytämään kokeellisia todisteita nk. gluonien saturaatiosta. Yksinkertaistetusti saturaatiota voi ajatella siten, että erittäin pienen Bjorkenin x:n alueessa gluonien tiheys faasiavaruudessa kasvaa niin suureksi, että gluonien fuusion seurauksena tiheys ei voi enää kasvaa, vaan saturoituu. Tässä alueessa QCD:n epälineaariset ilmiöt tulevat tärkeiksi ja niiden ympärille on kehittynyt rikas teoreettinen fenomenologia viime vuosien aikana. Suomen kannalta merkittävää on, että sekä ydinpartonijakaumia että saturaatiofysiikkaa tutkitaan Jyväskylän teoriaryhmässä intensiivisesti. Mikäli kokeellinen ryhmä suuntautuu näihin mittauksiin tulevaisuudessa, se tarjoaa mahdollisuuden erittäin hedelmälliselle yhteistyölle ryhmien välillä ja tuleville tieteentekijöille mahdollisuuden monipuoliseen kouluttautumiseen. ALICE koe on alkanut valmistautua myös LS4 jälkeiseen aikaan. Vielä ei ole varmistunut, jatketaanko raskasionifysiikkaa LHC:ssa enää tuolloin, eli vuoden 2030 jälkeen. Mikäli jatketaan, niin ALICE-koe olisi tarkoitus rakentaa tuolloin kokonaan uudestaan. Siinä vaiheessa luopuisimme kokonaan TPC:stä ja tilalle kaavaillaan äärimmäisen nopeaa, kokonaan silikoni-ilmaisimiin perustuvaa koetta. Sen suunnittelutyö on alkanut ja Letter of Intent on tarkoitus julkaista vuoden 2021 lopussa.

Sami Räsänen
HIP:n ALICE-projektin päällikkö

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *