Grant Marie Skłodowska-Curie Individual Fellowship na Wydziale Fizyki PW

Prestiżowe stypendium przyznano dr. inż. Marcinowi Pateckiemu, który będzie realizował projekt The ALICE fixed-target programme layout using bent crystals at the CERN Large Hadron Collider. Jego celem jest rozszerzenie potencjału badawczego eksperymentu ALICE przy Wielkim Zderzaczu Hadronów.

Europejska Organizacja Badań Jądrowych CERN zajmuje się badaniem najmniejszych składników materii przy wykorzystaniu akceleratorów, w tym Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC). W LHC wiązki protonów lub jąder ołowiu rozpędzane są do olbrzymich energii i zderzane czołowo wewnątrz detektorów (m.in. ALICE) w celu obserwacji powstałych w ten sposób nowych cząstek i zachodzących pomiędzy nimi oddziaływań. Zderzanie tak małych obiektów wymaga wyjątkowo precyzyjnego procesu przyspieszania i sterowania wiązkami. Można to porównać do sytuacji, w której wiązkę strzał wypuszczonych przez grupę łuczników chcielibyśmy strącić przy użyciu podobnej wiązki strzał wypuszczonych w przeciwnym kierunku przez podobną grupę łuczników, przy czym "strzały" są znacznie mniejsze, a ich prędkości bliskie prędkości światła.

Zadanie jest więc bardzo trudne i w praktyce może zostać zrealizowane tylko dla kilku rodzajów jąder atomowych (w tym protonów). W standardowym procesie przygotowania wiązki do zderzenia część cząstek wyraźnie odstających od innych zostaje pochłonięta w specjalnych barierach (kolimatorach). W realizowanym projekcie zbadana ma zostać możliwość wykorzystania zakrzywionych kryształów krzemowych do przechwycenia takich cząstek i skierowania ich na specjalnie przygotowaną tarczę wewnątrz detektora ALICE. Dzięki temu możliwe będzie prowadzenie dodatkowych eksperymentów z fizyki cząstek elementarnych i badanie procesów niedostępnych w zderzeniach czołowych w LHC – tym bardziej, że tarcza może być zbudowana z praktycznie dowolnego materiału.

Możliwość wykorzystania kryształów do sterowania torem cząstek, choć wynika z zasad mechaniki kwantowej, jest w istocie bardzo łatwa do zobrazowania. Kryształ ma uporządkowaną strukturę wewnętrzną, w szczególności może mieć budowę warstwową, gdzie płaszczyzny krystaliczne oddzielone są od siebie pustą przestrzenią, tworząc coś na kształt torów. Cząstki uderzając w kryształ wpadają w te tory i są wzdłuż nich prowadzone, tak że ostatecznie opuszczają kryształ bez istotnych zaburzeń. Dodatkowo, kryształ w procesie produkcji może zostać zakrzywiony, co oznacza, że również znajdujące się wewnątrz tory będą zakrzywione, co pozwala na zmianę trajektorii lotu cząstki. Jest to niezwykle wydajny proces: kryształ o długości kilku milimetrów wywołuje odchylenia odpowiadające najsilniejszym dostępnym magnesom o długości kilku metrów, nie wymagając do pracy żadnego źródła zasilania.

Sterowanie torem cząstek przy pomocy kryształów to zupełnie nowa technologia i nie jest jeszcze powszechnie używana w akceleratorach. Rozwijany projekt byłby pierwszym przypadkiem zastosowania kryształów w celu doprowadzenia cząstek do zderzeń z tarczą wewnątrz detektora, otwierając tym samym zupełnie nowe możliwości badawcze.

Badania potrwają dwa lata i odbywać się będą pod kierownictwem dr. hab. inż. Daniela Kikoły w Zakładzie Fizyki Jądrowej na Wydziale Fizyki PW.

Projekt badawczy The ALICE fixed-target programme layout using bent crystals at the CERN Large Hadron Collider jest finansowany z europejskiego grantu Marie Skłodowska-Curie Individual Fellowshp w programie Horyzont 2020.

Grant MSCA Individual Fellowship jest realizowany na PW po raz pierwszy.