Výzkumná témata

Fyzikální program detektorů na urychlovači LHC byl zahájen 30. března 2010 srážkami protonů s těžišťovou energií 7 TeV (3.5 TeV na svazek). První fáze bude trvat asi 18 měsíců, po odstávce v roce 2012 LHC naběhne na energii 14 TeV (7 TeV na svazek). Očekává se že do konce roku 2010 bude dosaženo integrované luminozity 1fb-1. Tím bude dosaženo statistické váhy současných dat z urychlovače Tevatron v laboratoři Fermilab.

První etapa fyzikální analýzy bude zaměřena na "znovuobjevování" Standardního Modelu (SM), tj. měření známých efektů a srovnání s výsledky předchozích experimentů. Tím ověříme správnou funkčnost detektoru a to nám umožní přistoupit k fyzikálnímu programu.

Stěžejní výzkumná témata urychlovače LHC jsou

  • Zkoumání mechanizmu narušení elektroslabé symetrie a následné generování hmotnosti elementárních částic - tzv. Higgsův mechanizmus a jeho explicitní manifestace v podobě existence Higgsova bosonu. Energie dosažené urychlovačem LHC jsou dostatečné k jeho objevení respektive vyloučení jeho existence v SM.
  • Supersymetrie (SUperSYmmetry) - rozšíření SM o superpartnery částic. SUSY tvrdí že ke každému fermionu by měl existovat jeho superpartner, který je bosonem, a naopak ke každému bosonu by měl existoval superpartner, který je fermionem. Model MSSM (Minimal SuperSymmetric Model) je nejjednodušší realizace supersymetrie v přírodě, očekává se ze SUSY partnerské částice budou o několik řádu těžší než částice SM. MSSM je jeden z nejlepších kandidátu pro novou fyziku za SM. Jestli SUSY existuje, LHC má velký objevitelský potenciál.
  • Narušení CP symetrie - proč po Velkým Třesku bylo ve vesmíru více hmoty než antihmoty a asymetrie ve vlastnostech hmoty a antihmoty.
  • Existence dalších prostorových rozměrů předpovídaných strunovými teoriemi a možnosti jejich detekce.
  • Teorie velkého sjednocení (GUT) - jsou elektroslabá a silná interakce projevy jedné síly?
  • Hledání dalších generací fermionů mimo SM, leptokvarků, etc.
  • Problém hierarchie aneb proč je gravitace o mnoho řádu slabší než ostatní síly.
  • Přesné měření vlastnosti částic SM - ku příkladu měření hmotnosti a účinného průřezu Top kvarku, měření hmotnosti W bosonu
  • Studium kvark-gluonového plazmatu, stavu látky existujícího zlomek sekundy po Velkém Třesku, kdy jsou partony dekonfinovány.
  • Hledání produkce temné hmoty při kolizích. Temné hmoty je ve Vesmíru zhruba šest krát více než baryonické hmoty.

Difrakční fyzika v experimentu ATLAS

Podstatná část celkového účinného průřezu proton-protonových srážek na LHC je tvořena tzv. difrakčními procesy, které jsou charakterizovány přítomností prázdných oblastí v rapiditě, případně také protony vycházejícími ze srážky neporušeny a jen s velmi malou ztrátou hybnosti. Difrakční procesy je možno dělit podle počtu takovýchto neporušených protonů na procesy s jedním neporušeným protonem, se dvěma neporušenými protony a se dvěma disociovanými protony. V difrakčních procesech lze studovat produkci jetu, kalibračních bozonů W, Z a fotonu, vektorových mezonů, těžkých kvarků a Higgsova bozonu.

Difrakce při nízkých luminositách
Identifikace těchto procesů probíhá na zakladé hledaní prázdných oblastí v rapiditě, tedy oblastí s celkovými energiemi na úrovni šumu detektoru. Návrh triggeru se opírá o současnou přítomnost alespoň jedné prázdné oblasti v detektoru a pozůstatku procesu s tvrdou škálou. Oblastí zájmu je proměření procesu s tvrdou škálou v neprobádaných oblastech fázového prostoru, zejména pak tzv. pravděpodobnosti přežití prázdných oblastí.

Difrakce při vysokých luminositách a projekt AFP
Identifikace těchto procesů je založena na přítomnosti neporušených protonů v dopředných detektorech protonů. Fyzikální ústav AVČR se účastní vývoje dopředných detektorů, jež se mají umístit ve vzdálenosti 220m od detektoru ATLAS. Dráhove detektory budou umístěny v pohyblivé urychlovací trubici společně s detektory pro trigger první úrovně a s časovými detektory, s jejichž pomocí je možné potlačit kombinatorické pozadí, jehož vliv roste kvadraticky s luminositou. Vysoké luminosity umožní proměřit procesy s nízkými účinnými průřezy, například produkci Higgsova bozonu v exkluzivních procesech.