ניסוי 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

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

הגלאי הפנימי - נמצא סביב נקודת האינטראקציה ונועד למדוד את מסלולם של חלקיקים טעונים. סביב הגלאי הפנימי ממוקם מגנט סולנואידי שגורם להטיית מסלול החלקיקים הטעונים ומאפשר מדידה של המטען החשמלי והתנע שלהם.
קלורימטר אלקטרומגנטי (Electromagnetic Calorimeter)- ממוקם מסביב לגלאי הפנימי, ומטרתו היא למדוד את האנרגיה של פוטונים, אלקטרונים ופוזיטרונים שנעצרים בו.
קלורימטר הדרוני - ממוקם מסביב לקלורימטר האלקטרומגנטי, ונועד למדוד את האנרגיה של הדרונים (חלקיקים תת-אטומיים המורכבים מקווארקים) שנעצרים בו.
ספקטרומטר מיואונים - ממוקם במעטפת החיצונית של הגלאי ומשולב יחד עם מערכת של מגנטים טורואידיים, בעלי שדה מגנטי מעגלי. הספקטרומטר נועד לספק מדידות תנע ומטען של מיואונים, וזאת בנוסף למדידות דומות שנעשות בגלאי הפנימי. מיואונים, שמגיבים באופן חלש עם הקלורימטרים, הם בין החלקיקים הבודדים שיכולים לצאת מהגלאי. נוכחות של מיואונים אנרגטיים מהווה סימן לחלק מהתהליכים שאותם מבקשים לגלות בעזרת מאיץ LHC, ועל כן יש חשיבות למדידה מדויקת שלהם. ספקטרומטר המיואונים מורכב מארבעה סוגי חיישנים, שאחד מהם (TGC) תוכנן במכון ויצמן למדע על ידי צוות שבראשו עמד פרופ' גיורא מיקנברג.

בוזון היגס

ערך מורחב – בוזון היגס

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

במילים 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 האלקטרון, המיואון 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 10-25G ev, 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

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.

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

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 מאוד. גלאים מהירים דומים פותחו בשנות ה-80 במכון ויצמן למדע ושימשו את שלוש הקבוצות הישראליות בניסוי קודם. לצורכי ”ATLAS” היה על הצוות הישראלי לבנות גלאי גדול בהרבה, ששטחו הכולל בגודל 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 נבנו כ–20% מהגלאים, בסין נבנו כ–10% ובישראל נבנו כ–70%.

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]

היסטוריה

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 שהתגלה יולי 2012 הוא 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 שדרוגים 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 השדרוג המסיבי השני של ה-LHC.^[10]

משלחות החוקרים בניסוי

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]