Co dzieje się w Wielkim Zderzaczu Hadronów, gdy - pozornie - nic w nim się nie dzieje?

O tym, co dzieje się w Wielkim Zderzaczu Hadronów, gdy trwa modernizacja i nie ma wiązki, opowiadają nam Jolanta Olszowska z IFJ PAN, koordynator systemu kontroli i monitorowania detektora promieniowania przejścia TRT (Transition Radiation Tracker) w eksperymencie ATLAS oraz dr Dominik Derendarz z IFJ PAN, koordynator pracy detektora TRT.

Grzegorz Jasiński: To miejsce, gdzie jesteśmy, to co to jest?

Jolanta Olszowska: To jest taka hala testowa i w tej hali był składany w 2003-4 roku detektor wewnętrzny eksperymentu ATLAS. On się składał z trzech części, detektorów mozaikowych w środku, najbliżej wiązki, potem detektorów paskowych i na zewnątrz naszego detektora promieniowania przejścia. Ponieważ mamy tu oryginalne części, które służyły nam do testów ostatecznych elementów przed opuszczeniem na dół, zbudowaliśmy tu taki zestaw demonstracyjno-testowy gdzie mamy koła detektora TRT i dwa moduły baryłki. To wszystko jest oprzyrządowanie, mamy cały system zasilania gazem aktywnym, zasilania napięciem niskim, napięciem wysokim. Przy czym i okablowanie, i części sprzętu, które tutaj są, są identyczne z tymi jakie mamy na dole, w hali eksperymentu. Oprócz tego, że możemy zademonstrować zbieranie danych, tak zwanych kosmicznych, które lecą z kosmosu i możemy je tutaj zarejestrować, w przypadku jeśli mamy jakieś problemy pod ziemią to możemy tutaj przyjść i sprawdzić dokładnie co musimy zrobić. Ten sprzęt, który tutaj mamy na wierzchu, na dole jest czasem w bardzo niedostępnych miejscach hali eksperymentu. Trzeba mieć w głowie doskonały obraz, żeby tam na dole dobrze wykonać interwencję.

Teraz mamy taki szczególny czas, kiedy Wielki Zderzacz Hadronów jest wyłączony i oprócz tego, że on jest sam modernizowany, modernizowane są wszystkie detektory...

Dominik Derendarz: Gruntowna modernizacja samego ATLASA będzie miała miejsce w następnej długiej przerwie eksploatacyjnej. Teraz oczywiście są prace nad poprawą pewnych elementów i trwa budowa nowych detektorów, ale nie jest to jeszcze tak duża skala. To, że nie możemy wejść do kawerny wiąże się z takim prozaicznym faktem, że jest  remontowana winda i nie możemy zjechać na dół.

W tym wyłączonym teraz ATLAS-ie doszukaliście się państwo pewnych problemów, z którymi trudno sobie poradzić. Pan nawet fizycznie szukał źródła tych problemów. Coś przecieka...

Dominik Derendarz: Tak. Dotyczy to naszego detektora TRT. Znaleźliśmy wyciek na stacji chłodzącej elektroniki. Tutaj za plecami ma pan koło detektora, tutaj na obrzeżu tych kół montowane są karty elektroniki, które odczytują sygnał ze słomek, rejestrują ten sygnał przejścia cząstki. Później analizują go i wysyłają dalej do takiego jakby głównego mózgu ATLAS-a, żeby on mógł zbudować cały przypadek, zrekonstruować całe zdarzenie. Ta elektronika podczas pracy nagrzewa się, to ciepło musimy odprowadzić. W 2017 roku zaobserwowaliśmy pierwsze sygnały tego, że układ chłodzenia tej elektroniki zaczyna cieknąć. Monitorujemy na bieżąco ilość płynu w całym układzie, no i zobaczyliśmy, że tempo jego upływu znacznie się zwiększa. Była długa kampania sprawdzania, gdzie może być taki wyciek. Cały system chłodzenia posiada część zewnętrzną, która jest poza detektorem, która odbiera, pompuje, magazynuje płyn, odbiera to ciepło, które ten płyn chłodzący przejął od kart elektroniki. Tam jest dużo metrów bieżących rur miedzianych, które trzeba było po prostu sprawdzić, sprawdzić szczelność wszystkich połączeń. Niestety, po dłuższych badaniach okazało się, że ten wyciek nie znajduje się na zewnątrz, w formie takich łatwo dostępnych uszkodzeń, które moglibyśmy naprawić. Jedyny logiczny wniosek jest taki, że ten wyciek jest gdzieś w detektorze. Przy okazji przerwy w pracy była możliwość otworzenia części detektora i sprawdzenia tych najbardziej podejrzanych o wyciek połączeń. Bez sukcesu. Nawet z pomocą detektorów czułych na freony nie znaleźliśmy nic. Próbowaliśmy szukać w głębi detektora przy pomocy endoskopów, w miejscach niedostępnych żadnej interwencji, niestety nic nie znaleźliśmy. Więc musimy sobie radzić z tym wyciekiem w inny sposób...

Trzeba z tym żyć.

Dominik Derendarz: Trzeba z tym żyć. To raz. Musimy też zminimalizować ilość tego wycieku bo to jest koszt, taki płyn nie jest tani, po drugie ten gaz ma własności cieplarniane...

Lepiej, żeby na zewnątrz go nie było, ale praktycznie rzecz biorąc nie ma szans, żeby coś z tym zrobić. Ale detektor może pracować dalej?

Jolanta Olszowska: My możemy manewrować ciśnieniami w obwodach, w tych rurkach tak, by tam gdzie jest wyciek różnica między ciśnieniem wewnątrz i na zewnątrz była jak najmniejsza. Nawet możemy sobie pozwolić, żeby wewnątrz rurki była nieco mniejsza niż na zewnątrz, możemy zassać odrobinę powietrza zamiast wypuszczać płyn. Wykonujemy takie manewry, co pozwala zminimalizować ilość płynu chłodzącego, wydostającego się na zewnątrz układu.

To tylko pokazuje, że tego typu urządzenia, po zamontowaniu już na stałe pod ziemią często są niemożliwe do serwisowania. Stąd testowanie ich, jak najbardziej wszechstronne, ma znaczenie kluczowe.

Jolanta Olszowska: Praktycznie rzecz biorąc to trzeba sobie zdawać sprawę z tego, że tak naprawdę takie detektory nigdy nie zostały w pełni uruchomione i przetestowane na powierzchni, przed opuszczeniem ich do hali eksperymentu. Bo nie mamy tyle miejsca, bo trzeba byłoby odtworzyć całą infrastrukturę, którą mamy pod ziemią. Tego się nie da zrobić. Były testy mechaniczne, były różne teksty elektryczne, ale to są wszystko testy częściowe. W momencie, gdy te części końcowe, my je nazywamy korkami, czy endcapami i część centralna, czyli baryłka, zostały tutaj w tej hali zintegrowane, potem spuszczone na dół, zintegrowane z częściami korkowymi innych poddetektorów, kiedy kable i inne tzw. serwisy z części krzemowych detektora, zostały wyprowadzone na zewnątrz, to one przykryły nasze detektory. I tej części już nigdy nie można było ruszyć. Rozłączanie takiej ilości kabli, rurek, zawsze prowadzi do tego że mamy więcej problemów niż mieliśmy przed dezintegracją. I wszystkie tak naprawdę testy uruchomieniowe i znajdywanie jakichś niedoskonałości, bo przy takiej ilości sprzętu nie ma idealnie wszystkiego doskonale zmontowanego, odbywały się w sytuacji takiej, jakbyśmy to wystrzelili w kosmos. Już tam dostępu nie było. Ze wszystkimi problemami, które się pojawiały podczas uruchomienia i później, trzeba było sobie poradzić sprzętem zewnętrznym i... sposobem.

Mówimy o detektorze ATLAS. Ci, którzy się pasjonują odkryciem cząstki Higgsa zapewne pamiętają, że to jest jeden z tych dwóch detektorów, gdzie cząstka Higgsa została odkryta. Co trzeba w nim w czasie tej przerwy jeszcze zmienić, co można w nim zmienić?

Dominik Derendarz: W tym czasie są prace nad usprawnieniem detektora mionowego - to jest taka najbardziej zewnętrzna część ATLAS-a - i jest plan zamontowania tak zwanych nowych małych kół detektorów mionowych. To jest prototyp nowego detektora, który już później, podczas następnej przerwy eksploatacyjnej będzie już całkowicie rozbudowany. On pokrywa tam tylko pewien zakres, w którym produkowane cząstki lecą, w którym można je wykrywać. Ta modernizacja (upgrade) polega na tym, że detektory będą szybsze i będą z dużo lepszą dokładnością przestrzenną mogły rozróżnić takie miony. To jeden z elementów. Drugim ważnym jest upgrade system odczytu danych, tak zwany TDAC, który w zupełnie nowy sposób będzie odczytywać energię z kalorymetru na poziomie triggera.

Co to oznacza?

Dominik Derendarz: Trigger to jest układ, który ma za zadanie wybrać ciekawe zdarzenia, do których dochodzi na LHC. Ponieważ LHC dostarcza zderzenia co 25 nanosekund, nie jesteśmy w stanie fizycznie zapisać każdego z nich, więc musimy wyselekcjonować te które mają najciekawszą charakterystykę. Tym zajmuje się właśnie układ triggerowy. Nie możemy go ustawić bardzo szeroko, nie możemy go ustawić bardzo specyficznie, ponieważ wtedy jesteśmy wrażliwi na to, że część informacji zostanie stracona. Więc ta informacja na tym pierwszym poziomie jest taka dość zgrubna. To wiąże się z tym, że część z opisanych przypadków jest później odrzucana w analizie, więc im lepiej będziemy w stanie na pierwszym poziomie, w momencie samego zdarzenia ocenić, czy ten przypadek jest interesujący, z tym lepszą dokładnością później te dane, które już lądują zapisane na dyskach twardych i które fizycy analizują będą wartościowe i interesujące. Tym mniej będzie w tych poszukiwaniach bozonu Higgsa, czy sygnałów nowej fizyki bezwartościowych przypadków. To też jest bardzo istotne z punktu widzenia działania w następnym cyklu pracy (tzw. run-ie)...

Kiedy świetlność będzie większa i kiedy liczba danych potencjalnie gwałtownie wzrośnie...

Dominik Derendarz: Jeszcze w tym momencie nie gwałtownie, bo w tym momencie, przez następne 2 lata szacujemy że zbierzemy około drugie tyle danych, ile mamy zapisanych w tym momencie. Taka duża modernizacja szykuje się po roku 2026, kiedy to faktycznie świetlność akceleratora wzrośnie bardzo znacząco. I to też będzie bardzo trudny okres dla ATLAS-a i dla innych akceleratorów także, bowiem zwiększy się tzw. pile-up, czyli to jak często w jednym przecięciu się paczek protonów, dochodzi do zdarzeń. Teraz mamy maksymalnie 60 zdarzeń, które dochodzą do nas symultanicznie i powiedzmy, że w tych 60 zderzeniach jest jedno ciekawe. Teraz wyzwaniem jest to, jak wyłuskać to jedno i dobrze zmierzyć parametry tego jednego zdarzenia, kiedy towarzyszyły mu 59 innych. Po dużej modernizacji LHC, kiedy świetlność wzrośnie, szacuje się, że tych zdarzeń będzie około 200. Będzie ponad czterokrotnie trudniej. Owszem będziemy mieć nowe detektory, które będą dokładniejsze, w ten sposób można pomóc. Ale dalej to jest bardzo duże wyzwanie, jak to wszystko przeliczyć, jak zrekonstruować taki przypadek, jak wyłuskać to wszystko w czasie mniejszymi niż 100 lat. Bo przecież trzeba te wszystkie ślady zrekonstruować, wszystkie informacje trzeba przetrawić. To także jest optymalizacja oprogramowania, która ma za zadanie przyśpieszyć to wszystko, żeby to można było w jakimś skończonym czasie przeanalizować.

A skoro już o oprogramowaniu mowa to trzeba jeszcze powiedzieć o konieczności unowocześnienia systemu informowania o stanie detektora.

Jolanta Olszowska: Systemy kontroli monitorowania detektora były po raz pierwszy uruchomione w 2004 roku. Od tego czasu technologia, komputery i software wiele razy się zmieniały. Nie musimy na bieżąco utrzymywać aktualnych wersji, ale w momentach, kiedy przestajemy zbierać dane, podczas przerw na koniec roku, czy dużych przerw modernizacyjnych, jak obecna, musimy unowocześniać te systemy. Trzeba kupić nowe komputery, wcześniej pracowaliśmy w systemie Windows, teraz migrujemy do Linuxa. Musimy też unowocześniać taki pakiet - nazywamy go framework - narzędziowy pakiet, w którym cały system jest budowany. Dla przykładu, podczas takiej modernizacji jak teraz, przeskakujemy co najmniej o trzy wersje w górę. Przy czym, my musimy to tak zrobić, żeby zachować strukturę nazw wszystkich parametrów, w samym naszym poddetektorze jest około 100 tysięcy wartości, które mierzymy i chcemy je przesyłać do bazy danych, by je potem analizować. Czasem cofamy się z tą analizą o wiele lat, by zrozumieć, jak się nasz detektor zachowuje, jak się postarzał, co się zmieniło w otoczeniu. I teraz to wszystko musi być dostępne, po unowocześnieniu oprogramowania ciągle musimy wpadać w te same kanały baz danych i różnych innych zewnętrznych systemów. To wymaga od nas bardzo drobiazgowego testowania i bardzo drobiazgowego i formalistycznego programowania, tak żeby to po prostu wszystko razem można było z powrotem powiązać i zintegrować. W całym eksperymencie ATLAS taki system rozproszonego kontrolowania i monitorowania detektora, bo my jesteśmy tylko i wyłącznie jedną częścią, ma około 200 komputerów, które pracują w rozproszonym systemie, ale jako jeden system, wymieniając informacje non stop.

To się wpisuje w generalną tendencje tutaj w CERN, że dane, które zostały wybrane i zapisane, nigdy nie znikną. One zawsze pozostaną zapisane i zawsze będą dostępne.

Jolanta Olszowska: Tak to jest. My to nazywamy efektem naszej produkcji. My produkujemy te dane i to jest efekt naszej pracy. Jeżeli zapiszemy dane z samego eksperymentu, te dane ze zdarzeń i dane dotyczące warunków pracy detektora, czyli systemu kontroli i monitorowania, to możemy po przeprocesowaniu pierwszych danych dojść do wniosku, że my zaczynamy rozumieć jakieś efekty, które są w detektorze, których wcześniej nie rozumieliśmy. I możemy wprowadzić do programów analizy tę informację, którą zrozumieliśmy i opracować te dane jeszcze raz, uzyskując lepsze efekty obróbki tych danych i po prostu widząc więcej, niż widzieliśmy za pierwszym razem. Ale to wymaga trzymania tych danych i rozumienia ich przez lata.

Czy możemy się spodziewać na przykład takiego efektu, że odkryjecie państwo nowy efekt, nowe zjawisko, jakiś fragment nowej fizyki i potem nagle się okaże, że w tym, co już zostało zebrane były ślady, których wcześniej nie można było zinterpretować?

Dominik Derendarz: O tak. To jest bardzo częsty przypadek. Na przykład wyniki z poszukiwań bozonu Higgsa w LHC stały się tak bardzo wyraźne, ponieważ zebraliśmy dużo więcej kandydatów, przypadków, w których prawdopodobnie był wyprodukowany i rozpadł się bozon Higgsa. Natomiast wcześniejsze eksperymenty, na przykład na Tevatronie w USA, który działał na niższej energii i miał niższą świetlność widziały już jakieś sugestie, ale na tyle słabo widoczne nad poziomem tła, że nie mogli z całą pewnością powiedzieć, że to jest nowa cząstka, która się rozpada w takim i takim kanale, która ma taką a nie inną masę. To się dopiero potwierdziło po zebraniu dużej ilości danych. Te wszystkie dane, które teraz nowe będziemy zbierać, to nie jest tak, że te poprzednie pójdą do kosza. One są wspólnie analizowane, tak jakby zbiera się coraz większą ich kupkę. To też jest ciekawe, bo musimy myśleć nad tym długofalowo, te wszystkie dane zebrane od 2010 roku cały czas muszą być dostępne do analizy razem z tymi nowymi. To są ciągłe kampanie tak zwanego reprocessingu kiedy wykorzystuje się środki komputerowe, żeby wyciągnąć surowe dane zebrane przez detektor i zrekonstruować je jeszcze raz z aktualną wersją oprogramowania, która została "zamrożona" kilka miesięcy wcześniej i opisuje w najlepszych szczegółach jak rozumiemy na przykład jakieś efekty detektorowe, jak można poprawić kalibrację i o kilka procent poprawić wydajność, co potem wpływa na uzyskanie dokładniejszego wyniku, poprzez na przykład zmniejszenie o kilka procent jakiejś systematycznej niepewności. Wtedy na przykład będziemy wiedzieć, że masa cząstki Higgsa wynosi np. nie 125,3 GeV +/- 2 GeV, tylko 125,3 GeV +/- 1,5 GeV. I tu już jest sukces.

Wielki Zderzacz Hadronów jest wyłączony, instrumenty, detektory w większości są przerabiane. Ale tak się składa, że tej pracy teraz tutaj, być może jest nawet więcej niż normalnie, to nie jest okres odpoczynku, absolutnie...

Jolanta Olszowska: Może zacznijmy od tego, że detektory nie są do końca wszystkie wyłączone. Detektory krzemowe, które są pod nami, szczególnie te najbliżej rury wiązki, które są najbardziej narażone na promieniowanie podczas kolizji, mają taką charakterystykę, że one muszą być utrzymywane w niskiej temperaturze po to, żeby się nie starzały, nie pobierały coraz większego prądu podczas pracy nominalnej i podczas rejestrowania przypadków. W związku z tym one muszą być schłodzone przynajmniej do -10 - -15 stopni Celsjusza. Tak lubią. Nasz detektor, który jest ponad nimi lubi temperaturę pokojową, 20 stopni Celsjusza. My najpierw negocjujemy, w jaki sposób oni się będą chłodzić, mamy w niektórych częściach detektora tak zwane podgrzewacze, które neutralizują to zimno płynące z wewnątrz do naszego detektora. Ale mamy też takie rejony, gdzie te grzałki nie działają już niestety, to jest jedno z uszkodzeń, z którym musimy sobie radzić. W związku z tym prosimy naszych kolegów, żeby w zewnętrznej warstwie się utrzymali trochę cieplejsi, a wewnątrz mogą się chłodzić, tak jak chcą. To jest akceptowalne, bo czym dalej jesteśmy od rury wiązki, tym to naświetlenie jest mniejsze i ten efekt starzenia jest mniej krytyczny. Ale oczywiście zdarzają się różne rzeczy. Teraz się przebudowuje i serwisuje bardzo różne rzeczy, między innymi my jesteśmy zasilani alternatywnie ze strony francuskiej i szwajcarskiej tylko z jednej strony i mogą się zdarzyć utraty napięcia. To są najbardziej krytyczne dla nas momenty, bo wtedy temperatura w detektorach krzemowych, dopóki nie odparują nadmiaru płynu chłodzącego jeszcze bardziej spada, a dla nas to jest stres termiczny. My mamy takie cieniutkie membrany wklejone na końcu naszego dyrektora i naprężenia, której się przy takim stresie termicznym pojawiają, mogą spowodować kolejne uszkodzenia, które będą dla nas zmartwieniem. W związku z tym my cały czas w tej chwili monitorujemy przynajmniej temperaturę i od czasu do czasu włączamy nasz detektor i są gromadzone dane, po to żeby nasi koledzy z systemu akwizycji danych, mogli się kalibrować. Uruchamia się także zbieranie promieniowania kosmicznego...

Czyli tak trochę bada się, co się dzieje, jak nic się nie dzieje. W LHC...

Jolanta Olszowska: Zbieranie danych z tzw. "kosmiki" to są głównie potrzeby innych detektorów. My potrafimy dać im lokalny trigger, sygnał a oni mogą zebrać te dane i policzyć położenia lokalnych części detektora. Czy nie uległy przesunięciu, skręceniu. Te wszystkie operacje, które teraz się robi, wymagają potem całego strojenia i całego zebrania informacji chociażby o położeniu poszczególnych części detektora.

Kiedy jest termin, kiedy wszystko ma być gotowe? Na koniec przyszłego roku?

Dominik Derendarz: W zasadzie tak. Prace modernizacyjne w tunelu LHC kończą się w połowie przyszłego roku. Wtedy się zacznie okres chłodzenia. Całkowite schłodzenie akceleratora zajmie kilka miesięcy. Wtedy jeszcze ciągle jest czas na prace przy modernizacjach eksperymentów. Dopiero na początku 2021 roku spodziewamy się, że LHC zacznie wstrzykiwać wiązkę i zacznie robić pierwsze testy. Zgodnie z obecnym planem, pierwsze zderzenia powinny się pojawić w maju 2021 roku i to jest moment, w którym eksperymenty również muszą być gotowe, aby je włączyć i zacząć jak najszybciej analizować. W ATLAS-ie jest plan sprawdzania gotowości detektora przez tak zwane przebiegi testowe, kiedy mniej więcej rok wcześniej zanim LHC wznowi zderzenia my już będziemy włączać detektor, starać się zintegrować jak najwięcej systemów. Detektor TRT jest jednym z kilkunastu, żeby cały taki przypadek móc analizować musimy mieć informacje z różnych systemów, one wszystkie muszą być ze sobą zestrojone, muszą być w stanie zapisać te dane i razem działać. Po takiej dłuższej przerwie, po różnych modernizacjach, wychodzą różne problemy, braki synchronizacji,  braki kompatybilności. To wszystko będzie rozwiązywane podczas wspólnych prób. W maju będzie pierwszy tydzień, kiedy będziemy próbować zbierać pierwsze dane. To się prawdopodobnie nie uda, więc potem będzie cały miesiąc na to żeby spróbować rozwiązać te problemy, które zostały wyłapane w maju. W czerwcu będzie kolejny tydzień próbnego brania danych, który prawdopodobnie też się nie uda. Pod koniec roku cały ATLAS już powinien działać sprawnie i będziemy mieć jeszcze kilka miesięcy w zapasie, żeby wszystko dobrze zgrać i zestroić.

W październiku 2019 roku przedstawiciele polskich mediów, korzystając z długiej przerwy modernizacyjnej LHC, mieli możliwość zwiedzania akceleratora. CERN poprzez swoich przedstawicieli w EPPCN (European Particle Physics Communication Network) zaprasza dziennikarzy z krajów członkowskich i stowarzyszonych do odwiedzenia swej siedziby, w szczególności zapoznania się z udziałem naukowców z danego kraju w prowadzonych tam badaniach. Podczas dwudniowej wizyty polscy dziennikarze reprezentujący prasę, radio i media online zwiedzili dwa spośród wielkich eksperymentów na Wielkim Zderzaczu Hadronów, CMS i ALICE, tunel samego akceleratora, a także inne laboratoria i projekty ze znaczącym udziałem polskich grup badawczych. Wszędzie byli oprowadzani przez polskich ekspertów.