ניסוי ATLAS

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה לניווט קפיצה לחיפוש
מודל מוקטן של גלאי ATLAS

ניסוי ATLAS (ראשי תיבות של A Toroidal LHC ApparatuS) הוא אחד משבעת גלאי החלקיקים (ALICE, CMS, ATLAS, TOTEM, LHCb, LHCf ו-MoEDAL) במאיץ ההדרונים הגדול – LHC במרכז לחקר פיזיקת חלקיקים CERN שעל גבול צרפת-שווייץ.

הניסוי הוקם במטרה לשפוך אור על תאוריות חדשות בנוגע לתורת החלקיקים מעבר למודל הסטנדרטי.[1] בתוך גלאי ה-ATLAS נפגשות שתי אלומות פרוטונים המגיעות מכיוונים מנוגדים ומתנגשות זו בזו. כתוצאה מההתנגשות נפלטים חלקיקים מוכרים שונים שבאמצעותם ניתן להבחין ולזהות חלקיקים חדשים שטרם נראו.

גלאי ה-ATLAS מעוצב בצורה גלילית באורך של 46 מטרים, בקוטר של 25 מטרים ושוקל כ-7,000 טון. בתוך הגלאי שרועים כבלים באורך כולל של 3,000 קילומטרים והושקעו בבנייתו כ-550 מיליון פרנקים שווצריים. בניסוי משתתפים כ- 3,000 מדענים (מתוכם 1,000 סטודנטים בוגרים) מ-38 מדינות שונות ומ-174 אוניברסיטאות ומעבדות ברחבי העולם.[2]

ניסוי ה-ATLAS הוא אחד משני גלאים במאיץ LHC שהיו מעורבים בגילוי בוזון היגס בשנת 2012.

רכיבי הגלאי[עריכת קוד מקור | עריכה]

רכיבי גלאי ה-ATLAS כפי שמתואר בתרשים:
(1) גלאי מיואונים
מערכת המגנטים:
(2) מגנטים טורואידים
(3) מגנט סלנואידי
גלאי פנימי:
(4) גשש מעבר קרינה
(5) גשש מוליך למחצה
(6) גלאי נקודתי
קלורימטרים:
(7) קלורימטר ארגון נוזלי
(8) קלורימטר אריחי

גלאי ה-ATLAS עצמו מורכב ממיליוני חיישנים השייכים לארבעה אזורי גילוי עיקריים:

בוזון היגס[עריכת קוד מקור | עריכה]

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – בוזון היגס

הבוזון אותו ניבאו פיטר היגס ופרנסואה אנגלר הידוע בקרב הציבור גם כ"חלקיק אלוהי", הוא חלקיק שפיזיקאים טוענים כי הוא אבן היסוד הבסיסית ביותר של החומר- הדבר שקובע למעשה את מסת החומר.

במלים אחרות, בוזון ההיגס הוא חלקיק שמייצר מסביבו שדה כוח, שגורם לחלקיקים האלמנטריים, פוטונים וקווארקים, שנעים באותו שדה להרגיש תחושה של כבדות- כלומר: שיש להם מסה. אותה מסה, למשל של פרוטון, הבנוי משלושה קווארקים, לא נובעת מההיגס, אלא מהבוזונים - גלואונים. באותו האופן, כפי שאדם מרגיש כשהוא צועד בשלג במקום באוויר, והשלג, לצורך העניין, הם שדה הכוח של החלקיק. האדם מרגיש תחושה של כבדות, קשה יותר ויותר ללכת, כאילו שהמסה שלו גדולה יותר. החלקיק מייצר מסה עבור החלקיקים היסודיים המוכרים בטבע, כגון האלקטרוןמיואון והקווארקים.

אחת הסיבות העיקריות לבניית מאיץ ה-LHC ב-CERN היא הרצון לחקור את חלקיק ההיגס באמצעות התנגשויות של פרוטונים באנרגיות גבוהות.[3]

ב-4 ביולי 2012 דיווחו בנפרד שתי קבוצות המחקר העיקריות ב-CERN, ‏ATLAS ו-CMS, על קיום חלקיק במסה של 10-25Gev, שזו בערך המסה של 133 פרוטונים. ערך המסה שהתגלה בניסוי הוא הערך הצפוי של הבוזון היגס. החוקרים גם ציינו שדרושה עבודה נוספת על מנת לאשר שחלקיק זה הוא בוזון היגס.

ב-14 במרץ 2013 הצהירו הפיזיקאים ב-LHC כי הם בטוחים שחלקיק זה הוא באמת בוזון היגס. מאוחר יותר באותה שנה קיבלו פיטר היגס ופרנסואה אנגלר פרס נובל לפיזיקה על עבודתם. גילוי חסר תקדים זה הוא ההישג הגדול והחשוב ביותר של ניסוי ATLAS, ותרומתו להבנת היקום שינתה את תחום הפיזיקה.[4]

מערכות מידע וניתוחו[עריכת קוד מקור | עריכה]

במאיץ ישנן 40 מיליון התנגשויות בשנייה, מידע בסדר גודל שאין אפשרות לשמר אותו ולנתח אותו בזמן קצר. לכן נדרש גם אלגוריתם שיזהה התנגשות יוצאת דופן וגם כוח חישוב לכל המידע הזה. לכן, במקום לרכוש מחשבי–על לניתוח הנתונים, הפתרון שאומץ היה איגום מחשבים רגילים וחלוקת המטלה ביניהם. אולם לעיבוד כמות כזו של מידע דרושים כמיליון מחשבי PC. מימון והתקנה של מערך כזה, כולל הספקת חשמל, קירור ותחזוקה, הם משימה שהיא מעבר ליכולתו של מוסד המחקר הגדול בעולם. לפיכך הוחלט לפזר את המחשבים בכ–200 מוסדות המשתתפים בניסוי. במרכז המערכת ב–CERN עוברים הנתונים עיבוד ראשוני, ומשם נשלחים לכעשרה מוסדות גדולים, המאחסנים את הנתונים ומרכזים את עבודתן של כ–200 חוות מחשבים המוצבות במוסדות השונים ברחבי העולם ומספקות את עיקר כוח החישוב. כל מוסד מספק חווה ובה כמה אלפי מחשבים ומערכת מקומית לאחסון נתונים, והמערכת כולה מכונה Grid - רשת.

מרכז המחשוב של CERN אליו מגיע המידע מניסוי ה-ATLAS.

מדען הרוצה לעבד נתונים שולח "בקשה". תכנה מיוחדת ומורכבת המפעילה את הרשת הענקית מחלקת את עבודת החישוב שב"בקשה" בין מאות חוות מחשבים ברחבי העולם. עם סיום החישובים אוספת התוכנה את כל חלקי החישוב, מחברת אותם ושולחת את התוצאה הסופית למדען שביקש אותה. באופן זה מדען המשתתף בניתוח נתוני הניסוי מפעיל אלפי מחשבים במקומות שונים בעולם, בלי שיהיה טרוד בניהול מבצע מורכב שכזה. המערכת הזו היא שאפשרה לנתח את נתוני הניסוי ולבשר על גילוי ה"היגס" תוך שימוש בנתונים שנאספו ימים ספורים בלבד לפני ההודעה על הגילוי שלו.[5]

תרומה ישראלית[עריכת קוד מקור | עריכה]

ישראל, שחלקה הוא מעט יותר מאחוז אחד במיזם ATLAS, התבקשה לתרום גם בתחום המחשובי. הקמת חוות מחשבים שכזו דורשת השקעת כסף רב וכוח אדם, אך בה בעת מזמנת טכנולוגיה חדשה זו למדענים מתחומים אחרים. לפיכך הוחלט לבזר את החווה הישראלית ולהציבה בחלקים במוסדות אקדמיים שונים: בטכניון, במכון ויצמן למדע ובאוניברסיטת תל–אביב. הוקמו צוותים לניהול המערכת ולתפעולה, והוקמה קבוצת משתמשים המונה כ–50 מדענים וסטודנטים. המערכת הישראלית פועלת היטב, וביצועיה גבוהים בכ–%50 מהצפוי, אף שתקשורת המחשבים מישראל לאירופה אטית בהרבה מהמקובל כעת בעולם. הידע והמיומנות שנצברו וזמינותם של משאבים אפשרו כאמור למדענים ישראליים נוספים - פיזיקאים, ביולוגים ואחרים - להצטרף לחוות המקומיות ולסיפור ההצלחה של הרשת.[5]

מאחר שבטכנולוגיה המודרנית ביותר לא ניתן למדוד ולרשום את התוצאות של יותר מכמאה התנגשויות בשנייה, על הגלאי ”ATLAS” להחליט אילו התנגשויות לרשום ואילו לא. על ההחלטה להתקבל בשבריר קטן של שנייה. כדי להחליט יש לדעת מה אירע בהתנגשות: אילו חלקיקים נוצרו ומה הייתה מהירותם. על המידע להתקבל במהירות, והדרך היחידה לעשות זאת היא באמצעות גלאי מהיר כברק. גלאים מהירים כאלה פותחו בשנות ה-80 במכון ויצמן למדע ושימשו את שלוש הקבוצות הישראליות בניסוי קודם. לצורכי ”ATLAS” היה על הצוות הישראלי לשנות ולהאיץ את פעולת הגלאים - שינוי שאינו דבר של מה בכך. גודלו של הניסוי חייב את הצוות הישראלי לבנות גלאי ענק ששטחם הכולל כשטחם של שני מגרשי כדורגל. לשם כך נבנו כ–3,600 גלאים ששטחם כשני מ”ר כל אחד. כדי לאפשר את בניית כל הגלאים בפרק זמן קצר הוקמו, מלבד המעבדות במכון ויצמן למדע, מעבדות ביפן ובסין המבוססות על ידע ישראלי, ובהן התבצעה בניית הגלאים הישראליים (ביפן כ–%20 מהגלאים, בסין כ–%10, ורובם - כ–%70 - בישראל).

כשש שנים עמל הצוות הישראלי על פיתוח הגלאים ועל הטכנולוגיה הדרושה לבנייתם. כשש שנים נוספות עמלו צוותים במכון ויצמן למדע על בניית הגלאים, וצוותים בטכניון ובאוניברסיטת תל–אביב על בקרת האיכות של הגלאים. ההיסטוריה של כל גלאי ותכונותיו, כפי שנחשפו בבקרת האיכות, נרשמו במסד נתונים שהכין הצוות של אוניברסיטת תל–אביב. מאחר שגלאי החלקיקים הללו מיועדים לעבוד במקום שבו הקרינה הרדיואקטיבית עזה, פיתח הצוות של הטכניון מערכת בקרה מרחוק המסוגלת לשנות את תנאי העבודה של הגלאים על פי הצרכים המשתנים. לתעשייה הישראלית חלק ניכר בתהליך העבודה: מפעלים בכל רחבי הארץ הכינו רכיבים שונים לגלאים, למסגרת האלומיניום התומכת אותם במקומם הסופי בניסוי ולמערכות האלקטרוניקה המפעילות את הגלאים וקוראות את תגובותיהם. משהושלמו בניית הגלאים ובדיקתם, הועברו היחידות לז'נבה שבשווייץ, ובמהלך השנתיים שקדמו להפעלת המאיץ הותקנו במקומן בתוך המערך הענקי של גלאים שונים שהגיעו מכל רחבי העולם.[6]

גלאי המיואונים שתוכנן בישראל. צולם בגלאי ה-ATLAS

היסטוריה[עריכת קוד מקור | עריכה]

1992 קבוצת ATLAS כותבת מכתב ל-CERN, בו מוצע בניין בעל מטרה כללית של גלאי פרוטון-פרוטון בשביל LHC
1994 קבוצת ATLAS מציעה הצעת תכנון טכני ל-CERN
1995 קבוצת ATLAS מעצבת את המבנה המנהלי שלה ומועצת המנהלים מתחילה לתפקד. סקירת המשאבים הראשונה של ATLAS מתרחשת. ועדת LHC ומועצת המחקר מאשרת את פרויקט ATLAS, וביחד עם התוכניות, מובילים לדוחות עיצוב תת-מערכת טכניים (TDR)
1996 דוחות העיצוב הטכניים לקלורימטר (TDR) מוגשים בדצמבר
1997 דוחות העיצוב הטכניים (TDR) עבור גלאי המעקב הפנימיים (מלבד גלאי הפיקסל), מכשור המיואון והמגנטים מוגשים לביקורת, ובסופו של דבר מאושרים לבנייה
1998 דוחות העיצוב הטכניים של הדק השלב-ראשון וגלאי הפיסקל מוגשים לביקורות, שבסופה הם מאושרים לבנייה. מזכר ההבנה של ATLAS, המציין את התרומה המצופה מכל אחד מהמוסדות המשתתפים, נחתם על ידי הסוכנויות התורמות ביותר. אתרי הבנייה בשלבי הכנה ונבדקים על ידי ייצור מודולי-0
1999 דוחות העיצוב הטכניים לתיאום הטכני ושני כרכי דוח העיצוב הטכני, המתעד את ביצועי הפיזיקה הצפויים, הוגשו לביקורת
2000 מזכר ההבנה נחתם על ידי כל סוכנויות התרומה המשתתפות. רוב מערכות הגלאים נכנסות לשלב הבנייה
2001 רוב מערכות הגלאים ממשיכות בבנייה. אומדן חדש של עלות ההשלמה נעשה, ומגלה כי דרוש עוד מימון משלים של 20%. תרחיש בימוי שבו גלאי ראשוני יוצר תנאים של ניסוי פיזיקה נמוכת-זוהר נקבע בלוח הזמנים של העבודה
2002 חצי מהבנייה הסתיימה, ו-65% מתשלומי הבנייה שולמו
2008 הבנייה הושלמה והניסוי איתר את אירועי הקרן היחידה הראשונים שלו
2009 התנגשויות הפרוטון-פרוטון הראשונות התרחשו ב- LHC. התנגשויות אלו נרשמו ב-ATLAS
2012 ב-4 ביולי גילו חלקיק חדש ב-ATLAS הדומה לערכים הצפויים מבוזון היגס
2013 ב- 14 במרץ הוכרז רשמית כי החלקיק שגילו הוא באמת בוזון היגס
2014 גלאי ה-ATLAS נסגר בשל שיפוצים ב-LHC והסבת הגלאי לעבודה באנרגיה של 13TeV
2015 בחודש פברואר החלו לפעול המאיץ וה-ATLAS מחדש

ב-4 בנובמבר נסגר המאיץ לצורך עבודות תחזוקה

2016 ב-25 במרץ הופעל מאיץ החלקיקים מחדש והתנגשו שתי אלומות הפרוטונים הראשונות לשנת 2016 בגלאי ה-ATLAS.[7]ב-13 בדצמבר פרסם הניסוי כי הצליח למדוד את מסתו של בוזון W ומסתו עומדת על: 80370±19 MeV.[8]
2017 בחודש אוגוסט פרסם הניסוי כי הצליח לגלות ראיות לפיזור אור באמצעות אור באנרגיה גבוהה- תהליך נדיר בו שני פוטונים מגיבים ובכך משנים את כיוון תנועתם. ראיות אלו אוששו תחזיות של פיזיקאים בנוגע לאלקטרודינמיקה קוואנטית.[9]
2018 ב-28 באפריל הופעל הניסוי מחדש לאחר 4 חודשים של שידרוגים והתאמות. זו היא השנה האחרונה בה פועל הניסוי באנרגיה של כ- 13TeV במסגרת ההפעלה השנייה של מאיץ ההדרונים הגדול. בתחילת שנת 2019 יושהה הניסוי לתקופת זמן ממושכת בעקבות השידרוג המסיבי השני של ה-LHC.[10]

משלחות החוקרים בניסוי[עריכת קוד מקור | עריכה]

ה-ATLAS הוא מעבדה וירטואלית בה משתתפות 38 מדינות. הפיזיקאים המשתתפים בניסוי מגיעים מיותר מ-177 אוניברסיטאות ומעבדות ברחבי העולם וכוללים כ-1,000 סטודנטים. ניסוי ה-ATLAS הוא אחד המאמצים השיתופיים הגדולים שהתקיימו אי פעם במדעי הפיזיקה.[11]

המדינות החברות בניסוי ה-ATLAS הן:

ארגנטינה, ארמניה, אוסטרליה, אזרבייג'ן, בלארוס, ברזיל, קנדה, צ'ילה, סין, קולומביה, הרפובליקה הצ'כית, דנמרק, צרפת, גאורגיה, גרמניה, יוון, ישראל, איטליה, יפן, מרוקו, הולנד, נורווגיה, פולין, פורטוגל, רומניה, רוסיה, סרביה, סלובקיה, סלובניה, דרום אפריקה, ספרד, שווייץ, שוודיה, טאיוואן, טורקיה, אנגליה, וארצות הברית.[12]

בניין הכניסה לניסוי ה-ATLAS עליו מצויר הגלאי בקנה מידה של 1:4 (גודלו של הציור הוא רבע מגודלו של הגלאי האמיתי)

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

ויקישיתוף מדיה וקבצים בנושא ניסוי ATLAS בוויקישיתוף

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ About ATLAS, ATLAS Experiment official site
  2. ^ ATLAS Experiment fact sheet, ATLAS Experiment official site
  3. ^ הבוזון של היגס – אבן היסוד של היקום?, מכון דוידסון לחינוך מדעי- מכון ויצמן, ‏2 ביולי 2011
  4. ^ יום חג למדע: פיזיקאים איתרו את "החלקיק האלוהי", וואלה! חדשות, ‏14 במרץ 2013
  5. ^ 5.0 5.1 בדרך אל הפיזיקה החדשה. (עמ' 45), האקדמיה הלאומית הישראלית למדעים, ‏2012
  6. ^ מהו החומר האפל המרכיב את היקום? ומה קרה שנייה אחרי המפץ הגדול? (עמ' 28-29), האקדמיה הלאומית הישראלית למדעים, ‏2008
  7. ^ Archives of ATLAS Collaboration records, CERN Scientific Information Service
  8. ^ ATLAS releases first measurement of W mass using LHC data
  9. ^ ATLAS Collaboration, Evidence for light-by-light scattering in heavy-ion collisions with the ATLAS detector at the LHC, NATURE PHYSICS, ‏9 בפברואר 2017
  10. ^ Katarina Anthony, ATLAS starts new year of data-taking, CERN-ATLAS, ‏30 באפריל 2018
  11. ^ Who are the 3000 physicists in ATLAS?, ATLAS Experiment official site
  12. ^ ATLAS Collaboration, ATLAS AT LBNL