Revista >> Octombrie 2023 [Nr. 258] >> Cercetare & Invatamant superior

ISS ALICE in tara particulelor - Contributiile Institutului de Stiinte Spatiale la experimentul ALICE de la CERN

Dr. Alexandru Dobrin, reprezentantul grupului ALICE din cadrul ISS

19 Octombrie 2023

Institutul de Științe Spațiale (ISS) este parte a colaborării ALICE (A Large Ion Collider Experiment) de la CERN începând cu anul 2006. În prezent, grupul ISS dedicat acestui experiment internațional se compune din cinci cercetători științifici, doi studenți doctoranzi, un student masterand și un student la licență, expertiza grupului acoperind teme variate de cercetare, ce pornesc de la dezvoltarea de detectori și ajung până la analiza datelor experimentale ALICE și simulări ale proceselor fizice.

Scopul cercetărilor efectuate de membrii grupului ISS este de a caracteriza proprietățile sistemului creat în ciocniri Pb-Pb, p-Pb și pp, concentrându-se pe următoarele aspecte:
• Înțelegerea comportamentului colectiv al particulelor din starea finală prezent în astfel de sisteme prin măsurători de curgere anizotropă;
• Încălcarea parității în interacția tare care nu a fost observată experimental, deși este permisă de QCD. Acest fapt este cunoscut sub numele de problema CP a interacției tari. În ciocnirile ionilor grei, încălcarea locală a parității se manifestă sub forma separării sarcinilor de-a lungul direcției câmpului magnetic (efect magnetic chiral);
• Măsurători ale structurii jetului (spray-ul de hadroni rezultat din fragmentarea unui cuarc sau gluon) care au o sensibilitate ridicată la proprietățile mediului;
• Căutarea de particule încărcate cu durată lungă de viață prezise de mai multe modele care încorporează fizică nouă;
• Managementul și procesarea producțiilor centrale în ALICE;
• Participarea la activitățile computaționale ale colaborării ALICE prin partajarea de resurse IT hardware în forma site-ului GRID.

Grupul ISS a coordonat și contribuit la mai multe analize de date ALICE privind curgerea anizotropă și efectul magnetic chiral în diferite sisteme de ciocnire, acestea concretizându-se în 20 de articole ALICE, unele dintre ele publicate în reviste de prestigiu, între care Nature și Physical Review Letters. Măsurătorile efectuate au constrâns proprietăți cheie ale plasmei de cuarci și gluoni (de exemplu coeficienții de transport, ecuația de stare, etc.), au evidențiat efecte colective în sisteme de mărime redusă și au abordat un subiect fundamental QCD estimând cantitativ încălcarea parității în interacția tare. Grupul a fost implicat în redactarea unui review în care colaborarea ALICE face un bilanț al primului său deceniu de studii QCD la LHC și a raportului privind oportunitățile viitoare ale QCD la LHC, care a fost folosit ca input pentru strategia Europeană pentru fizica particulelor pentru perioada 2020-2027. Este important de precizat că membrii grupului (dr. Alexandru Dobrin, dr. Cătălin Ristea) au deținut sau dețin diferite funcții de coordonare în ALICE: coordonarea grupului de analiză de curgere anizotropă, coordonarea grupului de prezervare a datelor, membru în coordonarea grupului de pregătire al datelor, membru în comitetul editorial.
Pachete de ioni de plumb sau protoni accelerați până la viteze apropiate de viteza luminii se suprapun și interacționează în regiunea apropiată de mijlocul detectorului ALICE. În urma acestor interacții sunt produse mii de particule care se îndepărtează de centrul de interacție și produc semnale electrice în detectorii cu al căror mediu activ interacționează. Totalitatea acestor semnale înregistrate de fiecare detector ALICE în parte constituie datele brute experimentale care sunt reconstruite ulterior utilizând o rețea extinsă de calculatoare de tip grid, alcătuită în prezent din aproximativ 200.000 de procesoare răspândite în toată lumea, de la institutele care colaborează la experimentul ALICE. Datele experimentale reconstruite sunt analizate și comparate cu date obținute din simulări Monte Carlo. O simularea Monte Carlo reprezintă un procedeu statistic care este utilizat în modelarea teoriilor probabilistic, ceea ce permite comparația cu rezultatele experimentale. Începând cu 2016, grupul ISS și-a asumat responsabilitatea instituțională cu privire la managementul și procesarea centrală a reconstrucției datelor experimentale și a tuturor simulărilor Monte Carlo. Participarea la aceste activități este o mare provocare și responsabilitate, deoarece procesarea datelor trebuie făcută de obicei într-un program strict, fără a-și pierde fiabilitatea. Până în prezent grupul nostru a participat la procesarea a peste 2.000 de seturi de date pentru ALICE, însumând aproximativ 55 PB spațiu de stocare și un timp de procesare de peste 220.000 de ani așa cum reiese din producțiile efectuate de grupul ISS ALICE.

Grupul are, de asemenea, un site GRID oferind resurse de procesare și stocare experimentului ALICE. Noțiunea „GRID” reprezintă rețeaua interconectată a centrelor de calcul ce participă la efortul de procesare a datelor obținute de experimentele de la LHC. Această rețea reunește 170 de centre de calcul din 42 de țări și însumează peste 1.4 milioane nuclee de procesare și peste 1.5 exabytes de stocare. Capacitatea de stocare a site-ului GRID ALICE al ISS, prezentat în poza de mai jos, este de 4.5 PB, iar 1.900 de nuclee sunt dedicate procesării datelor experimentale și simulărilor Monte Carlo. Începând cu anul 2006, ISS a contribuit cu un timp de procesare de 7.306 ani și 177 PB transfer de date pentru ALICE. În plus, grupul a dezvoltat interfața de bază la serviciile centrale GRID ALICE care este folosită în prezent de către toți membrii colaborării.

Grupul ALICE din cadrul ISS este puternic implicat și în activități de outreach. Cel mai important canal pentru a transfera cunoștințele acumulate către societate este reprezentat de articolele științifice și evenimentele de popularizare. Cunoștințele dobândite prin cercetare sunt împărtășite cu restul comunității științifice prin prezentări la conferințe și seminarii. Anual grupul participă la programele organizate de către Ministerul Educației, „Școala altfel: să știi mai multe, să fii mai bun!” și „Săptămâna verde”, evenimentul „Noaptea Cercetătorilor Europeni” organizat în București și Măgurele, comunicări publice și programe comune cu diferite centre universitare. Recent, grupul a organizat pentru prima dată în România conferința internațională „ALICE Physics Week”, în cadrul căreia s-au revizuit și discutat analizele de date ALICE curente și perspectivele viitoare cu datele care se vor acumula până în 2026. În plus, grupul coordonează eforturile colaborării ALICE în a prezerva pe termen lung datele experimentale și simulările Monte Carlo și a facilita accesarea publică a acestora. O altă contribuție importantă este formarea de noi oameni de știință din rândul studenților doctoranzi, masteranzi și la licență.

Explorând formarea Universului via ALICE
Pentru a înțelege formarea Universului este necesar să identificăm constituenții de bază ai materiei și să studiem interacțiile dintre ei. Din punct de vedere istoric, ideea celei mai mici diviziuni posibile a materiei datează din secolul al V-lea î.Hr. când a fost introdus conceptul de „atom”, adică indivizibil. Primele dovezi experimentale ale atomului au venit la începutul secolului al XIX-lea și, la scurt timp după, au fost dezvăluiți constituenții săi interni: nucleul format din protoni și neutroni și electronii. Electronii sunt particule elementare (adică nu pot fi divizați), în timp ce protonii și neutronii sunt formați din cuarci și gluoni. La randul lor, cuarcii și gluonii sunt considerați particule elementare pentru ca nu există in prezent măsurători experimentale de mărime sau substructură. Interacția dintre cuarci și gluoni și cum aceștia se leagă împreună pentru a forma hadroni (de exemplu protoni) este descrisă de cromodinamica cuantică (QCD), teoria asociată forței tari din Modelul Standard al particulelor elementare. Cu toate acestea, QCD prezice o tranziție de la materia hadronică la un sistem în care cuarcii și gluonii se pot mișca liberi la temperaturi foarte ridicate (de aproximativ 100000 de ori temperatura din interiorul Soarelui) și densități mari (comparabile comprimării Pământului la dimensiunea unei mingi de baschet). Această stare fierbinte și densă a materiei se numește plasma de cuarci și gluoni. Studiul plasmei de cuarci și gluoni este important în fizica particulelor și astrofizică, deoarece modelele curente indică că această stare ar fi existat în Univers la câteva microsecunde după Big Bang (explozia primordiala) și ar putea exista în interiorul stelelor neutronice.
Ciocnirile de nuclee la energii înalte produc condițiile optime pentru a crea un „Little Bang” în laborator, iar caracteristicile observate în astfel de ciocniri au fost interpretate ca dovezi ale formării plasmei de cuarci și gluoni. Plasma de cuarci și gluoni se extinde și se răcește rapid ca Universul timpuriu. Această expansiune colectivă se numește curgere. Cea mai clară dovadă experimentală a curgerii este anizotropia unghiulară în producția de particule, numită curgere anizotropă. Magnitudinea sa este cuantificată de coeficienții de curgere vn din descompunerea Fourier a distribuției unghiulare a particulelor produse. Compararea coeficienților vn cu modele teoretice indică faptul că plasma de cuarci și gluoni se comportă ca un fluid aproape perfect.
Experimentul dedicat studierii plasmei de cuarci și gluoni la marele accelerator de particule de la CERN (LHC), Geneva, Elveția este A Large Ion Collider Experiment (ALICE). Colaborarea are aproximativ 2000 de cercetători din 40 de țări și operează detectorul ALICE. Detectorul are 26 m lungime, 16 m înălțime și constă dintr-o parte centrala care măsoară hadroni, electroni și fotoni și un spectrometru pentru identificarea muonilor. Caracteristicile unice ale detectorului ALICE, care permit măsurători ale unei game largi de fenomene fizice, sunt capacitățile excelente de reconstrucție și identificare a particulelor pe un domeniu larg de impulsuri. Acestea îl fac un instrument ideal pentru a caracteriza proprietățile plasmei de cuarci și gluoni în ciocnirile de ioni de plumb (Pb-Pb). Pe lângă ciocnirile de ioni grei, ALICE colectează ciocniri proton-proton (pp) și proton-plumb (p-Pb). Asemenea camerelor digitale gigantice, detectorul ALICE reconstruiește traiectoriile particulelor și le separă în evenimente pentru a fi analizate. Ociocnire Pb-Pb înregistrată de detectorul ALICE în noiembrie 2022 este reprezentată în poza de mai jos.