Znak Politechniki Warszawskiej

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.

Dr inż. Marcin Patecki z Wydziału Fizyki PW, fot. Dmitry Nadtocheev

Dr inż. Marcin Patecki z Wydziału Fizyki PW, fot. Dmitry Nadtocheev

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.