Pospeševalnik SuperKEKB in detektor Belle II sta uspešno prestal prvo veliko preizkušnjo!

Peter Križan (FMF UL in IJS), 4.9.2018

Med tem ko zunaj veter najavlja prihod tajfuna, fiziki pri eksperimentu Belle II proučujemo rezultate prve  etape raziskav.

Letos spomladi smo v novem trkalniku SuperKEKB na institutu KEK v Tsukubi na Japonskem uspešno  pričeli s proučevanjem trkov pospešenih delcev, elektronov in pozitronov. To je prvi nov trkalnik, ki je pričel z delovanjem po Velikem hadronskem trkalniku LHC v CERNu v Ženevi, ki so ga pognali pred desetimi leti. SuperKEKB je futuristična naprava, ki jo je zasnovala in izdelala ekipa japonskih fizikov, strokovnjakov za pospeševalnike, detektor Belle II ob pospeševalniku SuperKEKB pa pripravlja mednarodna raziskovalna skupina več kot 700 fizikov iz 25 držav Azije, Evrope in Severne Amerike. Med njimi igramo pomembno vlogo tudi slovenski fiziki - prispevali smo nekaj ključnih idej pri konceptu eksperimenta in odigrali zelo vidno vlogo pri vodenju te velike raziskovalne skupine.

Pospeševalniški kompleks SuperKEKB, zaporedje linearnega pospeševalnika, pozitronskega zbiralnika, glavnega obroča in detektorja Belle II ob točki, kjer trkajo elektroni in pozitroni.

Pred dobrimi petimi meseci so japonski sodelavci v elektronsko-pozitronskem trkalniku najprej uspešno shranili žarek elektronov, ki se gibljejo s hitrostjo, zelo blizu hitrosti svetlobe, skozi več kot tisoč magnetov v nekaj centimetrov debeli krožni vakuumski cevi dolžine 3 km, nato pa še žarek pozitronov z energijo štirih milijard elektronvoltov (4 GeV), ki krožijo po obroču magnetov v nasprotni smeri kot elektroni. Slab mesec kasneje je nato sledila zadnja, odločilna stopnja v zagonu pospeševalnika, ko so oba žarka usmerili tako, da sta trčila v sredini detektorja Belle II, delce, ki so nastali pri trkih, pa je zaznal detektor Belle II. Prvi trki so pomemben mejnik za vsak nov pospeševalnik delcev, v primeru SuperKEKB pa je bilo to še posebno pomembno, saj sta oba žarka izredno tanka - tanjša od stotinke človeškega lasu – in enega proti drugemu krmarimo z magnetnim poljem, ne da bi žarka zares videli.

Detektor Belle II in cevi obeh žarkov

Kot si lahko predstavljate, je bilo v zaključni fazi priprav na prve trke v kontrolnih sobah pospeševalnika in detektorja precej napeto in živahno.  26. aprila kmalu po polnoči po lokalnem času je nato bil na vrsti veliki trenutek, zaznali smo reakcijske produkte prvih trkov elektronov in pozitronov.

Veselje ob prvih trkih elektronov in pozitronov, ki smo jih zaznali z detektorjem

Kako razgibano pa je bilo v kontrolni sobi pospeševalnika, ko so se pripravljali na veliki dogodek, si lahko ogledate na filmčku na povezavi https://www.youtube.com/watch?v=3fj7_aPR4t8

Tipičen dogodek, rezultat trka med elektronom in pozitronom. Ukrivljene sledi nabitih delcev, ki so nastali pri reakciji, zaznamo z velikim sledilnim detektorjem v močnem magnetnem polju

Od prvih trkov pa vse do konca julija je nato šlo zares, optimizirali smo delovanje detektorja in pospeševalnika. To iz več razlogov ni bilo niti malo enostavno. Pri tri kilometre dolgem pospeševalnem obroču moramo nastaviti kup parametrov, da  se oba žarka vedno znova (dvestomilijonkrat na sekundo) zaletita eden v drugega. Podobno zapleteno je tudi uvodno poganjanje detektorja, ki je sestavljen iz več detektorskih sklopov, od katerih ima vsak svoje značilnosti – in muhe. Ker potekajo meritve dna in noč in ker tudi za konec tedna pospeševalnik ne počiva, smo pri tem popili marsikatero pločevinko kave…

Zgodba, ki jo pišejo pločevinke kave: mirno sobotno jutro v kontrolni sobi eksperimenta Belle II, pospeševalnik odlično deluje, tudi detektor ne nagaja...

Z umerjenim detektorjem smo nato uspeli med reakcijskimi produkti najti že prve mezone B, s pomočjo katerih bomo  pri eksperimentu Belle II iskali nove pojave. Razpade mezonov B smo rekonstruirali v sedmih razpadnih kanalih. Seveda je to šele začetek, do konca eksperimenta čez sedem let bomo nabrali dvestotisočkrat večji vzorec.

Rekonstruirani razpadi mezonov B: iz energije razpadnih produktov lahko izračunamo maso delca, iz katerega so nastali. Mezoni B so zbrani v vrhu okoli energije 5.28 GeV, ostalo so naključne kombinacije.

Ob zaključku te prve faze delovanja pospeševalnika in detektorja je sledila tipična japonska slovesnost z lutko Daruma. Eno oko lutke z dvema praznima očesoma pobarvamo ob začetku projekta, drugo pa takrat, ko je projekt uspešno zaključen. Prvo oko smo pobarvali leta 2011 ob začetku priprave pospeševalnika Super KEKB in detektorja Belle II, drugo pa ob koncu prve faze meritev. Slovesnosti so prisostvovali vodilni strokovnjaki iz področja fizike osnovnih delcev iz celega sveta, oko pa je pobarval nobelovec Makoto Kobayashi.

Nobelovec Makoto Kobayashi barva drugo oko lutke Daruma.

Kako pa naprej? Detektor Belle II bo pol leta počival. V tem času bomo v  njegovi notranjosti, v neposredni bližini točke, kjer elektroni trkajo v pozitrone, dodali dva zelo natančna detektorja. Naslednji blog je že v pripravi: govorili bomo o teh dveh detektorjih, o izzivih pri njuni pripravi in o stanju meritev z njima. Na vsak način – stay tuned!

Ostali blogi iz te serije: seznam je tukaj in tukaj.

Blog 'Na lovu za osnovnimi delci' – Znanost na cesti

Moje poljudno predavanje o detektorju Belle II v okviru cikla Znanost med knjigami (ZmK) 6.4.2017: posnetek dobite kot podacast pri ZnC, poročilo pa v članku Lee Udovč za STA. Zelo zanimiv je tudi članek Mihe Pribošiča v Delu, priloga Znanost.