Pomysł, aby w projektowanym Wielkim Zderzaczu Hadronowym (LHC) w Europejskim Centrum Badań Jądrowych (CERN) w Genewie przyspieszać, oprócz protonów, również jądra atomowe pojawił się prawie równocześnie z ideą samego urządzenia.
Jeden z detektorów, nazwany ALICE i przygotowany przez grupę kilkudziesięciu fizyków z różnych krajów, w tym z Polski, przyjął kształt jak na Rys. 1.
Pierwsze dane dla zderzeń proton-proton eksperyment detektor ALICE zarejestrował w roku 2009, a w 2010 roku zarejestrował zderzenia jąder ołowiu. Po ponad trzech latach pracy, w 2014 roku detektor przeszedł modernizację, co pozwoliło na bardziej efektywną pracę w latach 2015-2018. Od 2019 roku, równolegle z modernizacją samego zderzacza trwają intensywne prace nad rozbudową i modernizacją detektora, mającą umożliwić efektywną pracę w warunkach znacznie większej częstości zderzeń.
Wkład zespołów polskich
Polscy fizycy biorą udział w badaniach zderzeń relatywistycznych jonów od samego początku tego programu, t.j. od roku 1990. Wkład finansowy grup polskich z Krakowa i Warszawy w budowę ALICE został ustalony w 1997. Nakłady finansowe wyniosły 1 mln. CHF i zostały wykorzystane na zakup elektroniki i elementów składowych detektorów.
Jeśli chodzi o budowę eksperymentu, prace grup polskich do roku 2019 dotyczyły kalorymetru elektromagnetycznego o wysokiej granulacji PHOS oraz głównego detektora śladowego ALICE – TPC. Polegały one na projektowaniu samego detektora, tworzeniu oprogramowania, kalibracji oraz obsłudze detektora w czasie zbierania danych, a przede wszystkim na analizie zarejestrowanych danych. Istotny wkład do budowy ALICE wniosły także grupy inżynierów z Krakowa i Warszawy, które wykonały istotne obliczenia wytrzymałościowe całej konstrukcji detektora oraz przygotowały bazę danych wszystkich jego części.
W roku 2019 zespoły polskie włączyły się w gruntowną modernizację eksperymentu. Modernizacja była konieczna, ze względu na nowe możliwości oferowane przez LHC – wyższą energię zderzanych cząstek, a przede wszystkim znacznie większą częstość zderzeń.
Działalność grup polskich koncentruje się na pracach przy detektorach TPC i PHOS
oraz przy całkowicie nowym detektorze FIT (Fast Interaction Trigger) – Rys. 3. W chwili obecnej zmodernizowane, przy znaczącym udziale grup polskich, detektory PHOS i TPC są już zainstalowane w tunelu LHC i poddawane testom. Detektor FIT jest w trakcie instalacji.
Oprócz tego jesteśmy zaangażowaniu w rozwój oprogramowania poszczególnych detektorów, stworzeniu nowego systemu kontroli jakości danych oraz wizualizacji danych (Rys. 4).
Natomiast celem głównym programu naukowego eksperymentu ALICE jest wyprodukowanie i zbadanie nowego stanu materii jądrowej, tzw. plazmy kwarkowo-gluonowej (QGP – Quark Gluon Plasma), poprzez rejestrowanie i analizę zderzeń ciężkich jonów. Plazma kwarkowo-gluonowa – stan materii podobny do tego, jaki istniał ułamki sekundy po Wielkim Wybuchu – wykazuje silne zachowania kolektywne, opisywane równaniami hydrodynamiki. Poprzez badanie tych zachowań można określić fundamentalne własności materii jądrowej. System powstający w zderzeniach charakteryzuje się ogromną gęstością energii. W wyniku jego hadronizacji powstaje do kilku tysięcy cząstek, a mała gęstość barionowa oznacza, że produkuje się podobna liczba cząstek i antycząstek. Cząstki te są następnie rejestrowane w detektorze i możliwe jest badanie parametrów ich oddziaływań oraz innych właściwości QGP. Niemniej jednak, oprócz zderzeń ołowiu, ALICE bada również zderzenia elementarne proton-proton, wykorzystując unikalne zdolności eksperymentu do identyfikacji cząstek. Polskie zespoły istotnie przyczyniły się do pogłębienia wiedzy nt. plazmy kwarkowo-gluonowej jak i mechanizmów zachodzących w zderzeniach elementarnych.