Akceleratory to wspaniałe urządzenia, a ja jestem ich wiernym fanem. Jestem pod ogromnym wrażeniem, że jesteśmy w stanie budować tak złożone maszyny i cieszę się, że mam szansę przy nich pracować. Pewnego dnia poświęcę im osobny wpis, bo zdecydowanie na to zasługują.

Istnienie akceleratorów pociąga za sobą powstanie zupełnie nowych gałęzi techniki/inżynierii, gdzie szczególne miejsce zajmuje diagnostyka wiązki. Jasna sprawa, wstrzykujemy wiązkę do akceleratora i chcemy wiedzieć co się z nią dzieje. Jedną z podstawowych wielkości do zmierzenia jest poprzeczny rozmiar wiązki. Teoria mówi (twierdzenie Liouville’a), że rozmiar wiązki, mierzony w tym samym miejscu akceleratora, powinien być stały. (Bardziej ściśle: nie rozmiar, a objętość zajmowana przez cząstki w przestrzeni położenie-pęd, tzw. emitancja. Zmierzenie rozmiaru jest zazwyczaj konieczne do wyznaczenia emitancji. W pewnym uproszczeniu rozmiar i emitancję można traktować tożsamo.)
Bardzo źle, jeżeli rozmiar rośnie, bo zwykle oznacza to jakąś niestabilność i w ogólności prowadzi do pogorszenia jakości wiązki.

W 2012 roku miałem przyjemność odbyć roczny staż w CERN na stanowisku studenta technicznego. Przydzielono mnie do pracy przy monitorze jonizacyjnym rozmiaru wiązki (Beam Gas Ionisation monitor, BGI) w LHC (Wielki Zderzacz Hadronów). Sytuacja była taka, że urządzenie które z powodzeniem działało w wielu innych akceleratorach, z jakiegoś powodu nie chciało prawidłowo działać w LHC. Miałem za zadanie sprawdzić dlaczego i zaproponować rozwiązanie. Fantastyczny projekt, chyba nie mogłem lepiej trafić.

Zasada działania jest następująca. Na drodze wiązki umieszcza się komorę próżniową, do której wstrzykuje się niewielką ilość neonu. W ogólności wiązka powinna biec w próżni, żeby nie rozpraszać się na atomach powietrza. Wstrzyknięcie neonu do niewielkiej obiętości komory próżniowej powoduje, że rozpraszanie jest zaniedbywalnie małe, zachodzi za to jonizacja gazu. Jonizacja, czyli odrywanie elektronów od atomów gazu w wyniku przejścia wiązki o silnym polu elektrycznym. Obszar w którym doszło do jonizacji pokrywa się z obszarem zajmowanym przez wiązkę. W efekcie w pewnej objętości przestrzeni znajduje się grupa elektronów o takim samym rozłożeniu przestrzennym jak protony w wiązce. Wiązka pobiegnie dalej, a elektrony można zrzutować na płaszczyznę, zmierzyć rozmiar tego rzutu i voila, gotowe.

Jak to się robi? Wewnątrz komory próżniowej wytworzone są pionowe pola elektryczne i magnetyczne. Pole elektryczne wytwarza się przez naładowane elektrody i dzięki temu elektrony przyciągane są ku elektrodzie naładowanej dodatnio. Pole magnetyczne wytworzone jest przez ten pomarańczowy magnes widoczny na zdjęciu trochę wyżej. A po co wytwarzać pole magnetyczne? Wiązka nie tylko wyrywa elektrony z atomów, ale też nadaje im dość duży pęd. W konsekwencji elektrony mógłyby znacznie oddalić się od miejsca uwolnienia i wówczas stracilibyśmy informację o rozkładzie wiązki. Pionowe pole magnetyczne powoduje, że elektrony zmuszone są do poruszania się po spirali, pionowo ku dołowi. Promień spirali jest tym większy im większy pęd elektronu oraz tym mniejszy im silniejsze pole magnetyczne. W centrum dodatniej elektrody znajduje się płytka fosforowa, która absorbuje elektrony, a w zamian emituje fotony. Pozostaje już tylko skierować fotony na matrycę światłoczułą kamery cyfrowej i możemy robić zdjęcia wiązce.

Powyżej załączam przykładowy obraz zarejestrowany przez BGI. Gołym okiem widać, że jakość nie jest idealna, np. widać nachylenie wiązki w stosunku do układu detekcyjnego oraz jakiś pasożytniczy sygnał w postaci poziomych pasów. Na szczęście da się to wszystko poprawić w postprodukcji. Nie tylko modelki korzystają z Photoshopa. Trochę obliczeń i z powyższego obrazka uzyskuje się poniższy, z którego można odczytać rozmiar wiązki.

Niby spoko, nie ma się do czego przyczepić. Rozmiar zgadza się z oczekiwaniami. 450 GeV to energia z jaką wiązka jest wstrzykiwana do LHC, następnie rozpędzana jest do maksymalnie 7000 GeV. Pomiary BGI przy wyższych energiach dawały jednak dużo wyższe wartości, niż należało się spodziewać i wiedzieliśmy, że coś jest nie tak. Skorzystaliśmy z napisanego przez kolegów kodu (PyECloud) i zaczęliśmy symulować interakcję elektronów z polem elektrycznym pochodzącym od wiązki, czyli w zasadzie odtwarzać na poziomie mikroskopowym to co dzieje się w BGI tuż po uwolnieniu elektronów. Poniżej odpowiedź BGI (na niebiesko i czerwono) w porównaniu do faktycznego rozmiaru wiązki (na czarno). Widać, że zrekonstruowany profil wiązki jest wyraźnie szerszy niż rzeczywisty. 

Dlaczego tak się dzieje? Rozmiar wiązki maleje wraz ze wzrostem jej energii. Protony stłoczone na coraz mniejszej przestrzeni generują coraz silniejsze pola elektryczne. Elektrony znajdujące się w obszarze takiego pola doznają bardzo dużego przyspieszenia. Zewnętrzne pole magnetyczne zmusza je do poruszania się po spiralach, tyle tylko, że promień spirali jest bardzo duży, praktycznie rzędu rozmiaru wiązki i większy niż granulacja matrycy kamery. Dałoby się to nawet skorygować numerycznie, o ile każdy elektron doznawałby z grubsza takiego samego przyspieszenia. Tak niestety nie jest i co gorsza, trudno przewidzieć o ile zwiększy się pęd danego elektronu i w którym kierunku.

Policzyłem, że poszerzenie profilu wiązki możnaby zniwelować poprzez zwiększenie zewnętrznego pola magnetycznego: z 0.2 Tesli do ~1 Tesli. 1 Tesla to bardzo dużo jak na zwykły elektromagnes, blisko ograniczeń technologicznych (nadprzewodzące magnesy w LHC generują ok. 8T). Udało nam się nawet znaleźć w CERN odpowiedni magnes, a właściwie monstrum. Ważący prawie 2 tony, ponad 1m^3 objętości. Samo włożenie go do tunelu wymagałoby nie lada wysiłku. Niestety nie zdecydowano się na to rozwiązanie.

Na tym w zasadzie skończył się mój udział w tym projekcie. Z tego co wiem, BGI dalej nie działa, choć czasami pojawiają się różne pomysły jak sobie z tym poradzić. Może ktoś kiedyś wróci do zaproponowanego przeze mnie rozwiązania. Dla mnie najważniejsze jest, że nie tylko wiele się nauczyłem, ale też miałem unikalną okazję rzeczywiście pracować przy akceleratorze. Czekać na sygnał, a gdy rozbrzmiał to brać skrzynkę z narzędziami, kask, dozymetr i jechać windą 100m pod ziemię do tunelu.

Więcej szczegółów można znaleźć w mojej pracy magisterskiej: Magisterka. Przy okazji chciałbym podziękować mojemu ówczesnemu opiekunowi, Mariuszowi Sapińskiemu, który mnie wybrał do tego projektu i z którym miałem przyjemność pracować. Wszystkie grafiki pochodzą z mojej pracy magisterskiej.