Una din ideile călăuzitoare din activitatea noastră a fost și este aceea că succesul unui proiect vast nu poate fi asigurat fără idei și experiență mai puțin vaste. Departamentul de Fizică Hadronică-DFH s-a cristalizat în jurul unui Centru de Excelență, statut câștigat prin competiție la nivel național în urmă cu mai bine de zece ani.
Două întrebări aparent simple și anume consider că diferențiază ființa umană de celelalte viețuitoare:
1. Care este originea și evoluția imensității care ne înconjoară?
2. Cum a luat naștere, evoluat și funcționează creierul care-și pune asemenea întrebări și încearcă să le dea și un răspuns?
Proiectul pe care ni l-am propus a fost acela de a ne implica la modul vizibil și competitiv, folosind infrastructura locală în activități de cercetare de frontieră în direcția găsirii unui răspuns la prima din cele două întrebări menționate anterior.
De ce am avut noi curajul demarării punerii în practică a unei asemenea strategii care necesită facilități si aranjamente experimentale de mare anvergură internațională, dezvoltate și exploatate pe plan internațional în cadrul unor colaborări internaționale de o complexitate asemănătoare? Pentru că nu am pornit de la zero! Nici în termeni de idei de fizică și nici din punct de vedere al experienței în domeniu.
Și anume, parte din colectivul nostru a realizat acum mai bine de 25 de ani cel mai complex aranjament experimental, conceput de noi și realizat în cadrul Institutului de Fizică și Inginerie Nucleară. Aranjamentul experimental, numit DRACULA – acronimul venind de la „Device for Reaction Analysis based on a Complex and Unsurpassed on-Line Acquisition system” a fost proiectat în vederea folosirii la acceleratorul Tandem din București.
În paralel cu aceste activități, am fost implicați în colaborarea internațională FOPI (Four π detector), de data aceasta mult mai complex decât DRACULA, la GSI- Darmstadt (Centrul Helmholtz de Cercetări pentru Fizica Ionilor Grei). Acolo am avut contribuții esențiale atât în perioada de proiectare, cât și ulterior, în perioada de realizare și exploatare a aranjamentului experimental.
Colaborarea cu GSI ne-a ajutat în finalizarea experimentului DRACULA, dar condițiile din România anilor 1980, cu nenumărate întreruperi de alimentare cu electricitate, făceau practic imposibile activitățile în regim de post accelerare. După 1989 însă, în cadrul colaborării cu LNS-Catania (Laboratori Nazionali del Sud), DRACULA a fost instalat la Catania, unde, timp de opt ani, a furnizat date importante, complementare cercetărilor de la GSI în domeniul proceselor disipative în interacţia ionilor grei, multe din rezultatele obținute și publicate în reviste internaționale de prestigiu fiind de referință în domeniu.
Au urmat și alte proiecte și experiența pe care am acumulat-o a stat la baza invitației primite de a face parte din marea colaborare internațională ALICE de la CERN.
DFH ȘI ALICE
ALICE este acronimul de la „A Large Ion Collider Experiment” care este dedicat fizicii ionilor grei la energiile LHC. Acum, de ce e importantă fizica ionilor grei la asemenea energii?
Rezultatele obținute la energii mai joase, în cadrul unor experimente de tipul celor menționate anterior, au demonstrat că în interacţia ionilor grei se poate forma un sistem tranzient comprimat, adică având o densitate mai mare decât cea a nucleelor care se ciocnesc și în care se transferă o parte însemnată din energia cinetică a nucleelor inițiale.
Cu cât densitatea și energia pompată în acest sistem tranzient este mai mare, se creează condițiile ca să se formeze materie ai cărei constituenți sunt quarcii și gluonii, aceasta fiind starea în care se presupune că s-a găsit Universul la milionimi de secunde după explozia primordială cunoscută sub denumirea de Big-Bang.
ALICE este un experiment focalizat pe producerea de materie sub această formă, a studiului proprietăților și evoluției acesteia. Colaborarea ALICE, care la ora actuală are 1.550 membri din 151 institute aflate în 37 de țări, a fost inițiată cu aproximativ 20 ani în urmă. Noi am devenit membri din 1999, sarcina inițială în cadrul acestei colaborări a fost să participăm la dezvoltarea unor detectori TRD – Transition Radiation Detector care să discearnă între electronii și pionii produși în ciocniri proton-proton, proton-ion greu și ion greu – ion greu la energiile LHC.
În cadrul colaborării ALICE am avut onoarea să primim o sarcină unică, și anume să contribuim la realizarea a 20% a unuia dintre cele mai importante subdetectoare ale aranjamentului experimental ALICE, numit TRD. La sfârșitul anului 2003 s-a demarat activitatea de realizare a infrastructurii de laboratoare și deja în vara lui 2004 s-au produs primele prototipuri de TRD în cadrul laboratorului. În octombrie 2005 a avut loc inaugurarea laboratoarelor de detectori, iar în noiembrie 2008 s-a realizat ultima componentă a subdetectorului TRD.
De menționat că preluarea semnalelor livrate de acest detector se face folosind electronică la nivel de circuite integrate. Circuitul integrat analogic pentru aceste camere a fost realizat cu contribuția esențială a unui coleg electronist din Departamentul nostru.
Ar merita subliniat că, în urma activității de cercetare-dezvoltare, sarcina realizării acestui subdetector a revenit institutelor participante. Ele au fost Universitatea din Heidelberg, Universitatea din Frankfurt, Institutul Helmholtz GSI-Darmstadt, IUCN Dubna și Institutul nostru, prin Departamentul de Fizică Hadronică.
Bineînțeles că sarcina a fost împărțită inițial în mod egal, ceea ce însemna construirea a 20% din detectorul radiației de tranziție de către fiecare dintre aceste institute. La noi, lucrurile mergând foarte bine, la solicitarea Colaborării ALICE am construit în final 24% din acest subdetector, aceasta constituind cea mai semnificativă contribuție a României în cadrul unui experiment internațional de o asemenea anvergură folosind infrastructura și expertiza locală.
În urma acestor contribuții în cadrul Colaborării ALICE, era evident că am putut să propunem o tematică de fizică și o analiză a datelor experimentale proprie grupului nostru. Acest lucru s-a și întâmplat. Suntem deosebit de mândri că în urma tuturor acestor contribuții care se pot vedea la CERN la Experimentul ALICE, membrii grupului nostru au avut contribuții esențiale în extragerea de informații din analiza datelor experimentale obținute folosind experimentul ALICE la LHC.
Avem lucrări la ale căror colective de redactare am fost membri. La Conferința internațională Quark Matter din 2014 au fost prezentate de către un membru al echipei noastre de cercetare evidențe experimentale rezultate din analiza propusă și realizată de noi, care arată că în cadrul interacției p-p (proton-proton) la energia de 7 TeV se produce materie deconfinată, formată din quarci și gluoni, care are densități de energie chiar mai mari decât cele care se produc în interacţia Pb-Pb, și ulterior are o evoluție tip explozie, care este similară evoluției Universului. Este unul din principalele fenomene care au fost puse în evidență de când funcționează LHC la CERN.
Menținând si dezvoltând infrastructura, forța de muncă ultra-calificată, know-how-ul, expertiza, la ora actuală suntem solicitați să ne îmbarcăm pe proiectul de upgrade al experimentului ALICE, care înseamnă modificarea unora dintre subdetectori, astfel încât ALICE să poată realiza experimente la rată de evenimente mult mai mare decât a fost inițial programat în ideea să studieze observabile mult mai rare cu statistică suficientă.
Începând de anul viitor, în Departamentul nostru urmează să fie realizate și testate camerele de preluare a semnalelor livrate de subdetectorul principal al aranjamentului experimental, TPC (Time Projection Chamber), bazate pe tehnologia GEM (Gas Electron Magnifier), care să înlocuiască actualele camere multifilare. Cu ajutorul TPC-ului se face reconstrucția traiectoriilor particulelor rezultate în urma interacțiilor p-p, p-Pb sau Pb-Pb, la energiile LHC.
DFH ȘI GRID
Ceea ce avem noi nevoie este să accesăm informația de fizică obținută folosind fasciculul de la LHC. Era evident că acest lucru nu mai putea fi realizat bazându-ne pe forța de calcul standard care există într-un Departament, Institut și nici chiar într-un centru internațional de anvergura CERN.
Din acest motiv, încă din 1999 am demarat activități pe direcția informării a ceea ce înseamnă structura de calcul de tip GRID, mai întâi, iar apoi, încet-încet, în direcția implementării unei asemenea structuri la noi în Departament. Gridul înseamnă o structură de calcul, aș spune eu, de nivel planetar, cu puteri mari de calcul și de stocări de date, în centre importante de cercetare între care există legături pe fibră optică de viteză imensă.
În 2003, DFH a realizat prima aplicație de GRID internațional în România, în cadrul ALICE-GRID. La ora actuală, Centrul de Date NIHAM al DFH, cu aproximativ 5.000 unități de calcul și 4 PetaByte capacitate de stocare, are cea mai mare contribuție în termeni de timp de calcul și număr de job-uri rulate dintre centrele Tier2 din GRID-ul ALICE.
DFH ȘI FAIR
Așa cum s-a văzut, ALICE este focalizat pe studiul materiei în condiții extreme de densitate de energie. Noi ne propunem să facem o diagnoză a diagramei de fază a materiei în cel puțin două coordonate: temperatură și densitate.
O posibilitate de accesare a unor densități foarte mari la temperaturi moderate, condiții presupuse a exista în interiorul stelelor neutronice, ne este oferită de noul proiect de la GSI-Darmstadt – FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research). La energiile joase, care pot popula materie la densități foarte mari, probabilitatea de a produce mesageri care sunt sensibili la ceea ce a avut loc inițial în urma ciocnirii este foarte mică. Ar însemna ca experimentul să dureze generații.
Și atunci, singura soluție ca să faci într-un timp real experimentul este să accesezi intensități de o mie de ori mai mari decât cele disponibile la acceleratoarele existente. Acest lucru va fi realizat la așa numitul FAIR.
Este ușor de spus – ai un fascicul de o mie de ori mai intens și trebuie să realizezi experimentul. Dar acest lucru înseamnă să realizezi detectori care să fie la fel de performanți precum cei actuali, dar la rate de numărare care ajung până la peste 100 de ori mai mari decât ce există la ora actuală. Asemenea detectori nu existau până acum câțiva ani. Prin urmare, trebuie depusă din nou o activitate de cercetare pentru dezvoltarea acestora.
În momentul când ai asemenea tipuri de detectori, trebuie și un nou tip de electronică asociată lor. Noi ne-am îmbarcat într-un asemenea proiect. La noi în departament s-au dezvoltat în premieră mondială detectori TRD care dau informația de poziție în două dimensiuni cu precizie de sute de microni și detectori RPC (Resistive Plate Counters) care pe lângă o rezoluție temporală de 50 picosecunde (lumina parcurge în 50 picosecunde 1,5 cm) și dau informația de poziție în două coordonate.
De remarcat că aceste performanțe se păstrează în condiții de rate de numărare de până la zeci de mii de particule/cm2xsec. Pentru operarea acestor detectori este nevoie de electronica asociată care să răspundă acestor performanțe.
Tot în cadrul Departamentului nostru, folosind experiența câștigată la proiectarea CHIP-urilor pentru procesarea semnalelor TRD de la ALICE, a fost proiectat un nou tip de electronică analogică pentru a prelua semnalele de la prototipurile de TRD dezvoltați în cadrul Departamentului. Este primul CHIP analogic de o asemenea complexitate proiectat în România.
Consecința firească a acestor rezultate este implicarea DFH în realizarea și testarea zonelor celor mai complexe în termeni de granularitate și performanță în regim de rate de numărare ridicate a subdetectorilor de timp de zbor și TRD ale experimentului CBM (Compressed Barionic Matter) de la FAIR.
Modul de abordare unitar, vizibil și competitiv de la cercetare-dezvoltare de noi metode de detecție și identificare, la electronică asociată, la realizarea propriu-zisă a unor segmente importante în mari aranjamente experimentale, la punerea la punct a unor structuri de calcul care să ne permită să ne aducem contribuția la calibrarea și analiza datelor experimentale, și în acest fel să accesăm și noi informația experimentală, și până la urmărirea unor subiecte de fizică propuse de noi, bazat pe infrastructura performantă locală este secretul accesului la cercetările de frontieră din lume la ora actuală.
Asemenea infrastructuri locale și o asemenea abordare sunt premisele necesare pentru formarea de experți și lideri informali în domeniu, fără de care marile infrastructuri internaționale de cercetare nu ar putea exista și constituie surse permanente de idei și metode pentru domeniul cercetărilor aplicative și al transferurilor tehnologice în cele mai diverse domenii de activitate.
