Time resolution of the ALICE Time-Of-Flight detector with the first Run 3 pp collisions at ${\bf \sqrt{\textit{s}} = 13.6}$ TeV

In het hart van de Large Hadron Collider, een enorme ring die begraven ligt onder de grens van Frankrijk en Zwitserland, worden protonen versneld tot snelheden die de lichtsnelheid benaderen voordat ze tegen elkaar worden geslagen. Deze botsingen recreëren de intense hitte en dichtheid van het universum kort na de oerknal, waarbij een vluchtige soep van fundamentele deeltjes ontstaat. Om te begrijpen wat er in deze fracties van een seconde gebeurde, moeten wetenschappers precies identificeren welke deeltjes uit de botsing zijn geboren. Het is een taak van extreme precisie: het onderscheiden van een proton van een pion of een kaon, die allemaal verschillende soorten materie zijn maar bijna identiek kunnen lijken terwijl ze door de detector vliegen. De sleutel tot het onderscheiden van deze deeltjes ligt in het meten van hoe snel ze bewegen. Omdat alle deeltjes met bijna de lichtsnelheid reizen, betekent zelfs een minuscuul verschil in massa dat ze een fractie later bij een detector aankomen. Door de tijd te meten die een deeltje nodig heeft om een bekende afstand af te leggen, kunnen natuurkundigen de snelheid en daarmee de identiteit ervan berekenen. Dit proces, bekend als deeltjesidentificatie, vormt de basis voor het vermogen van het ALICE-experiment om de dichte materie te bestuderen die in deze botsingen wordt gecreëerd.

De ALICE-detector, een van de belangrijkste instrumenten bij de collider, vertrouwt zwaar op een component genaamd de Time-Of-Flight detector, of TOF, om deze tijdsmeting uit te voeren. Gedurende meer dan een decennium heeft dit systeem wetenschappers succesvol geholpen bij het sorteren van het puin van botsingen. De collider onderging echter onlangs een grote upgrade om het aantal botsingen dat het kan produceren te verhogen, wat vereist dat de detector gegevens met een veel hogere snelheid registreert dan ooit tevoren. Om deze nieuwe uitdaging aan te gaan, heeft het ALICE-team de elektronica en de gegevensverwerkingssystemen van de TOF-detector volledig herzien. Ze vervingen het oude triggersysteem, dat wachtte op een specifiek signaal om de registratie te starten, door een continu uitleessysteem dat constant elke 'hit' registreert, vergelijkbaar met een camera die een video opneemt in plaats van een reeks foto's. Dit artikel rapporteert over de prestaties van dit nieuw opgegradeerde systeem tijdens de eerste runs met proton-protonbotsingen bij een energie van 13,6 TeV. De onderzoekers wilden verifiëren of het nieuwe, snellere systeem nog steeds de tijd met de extreme precisie kan meten die vereist is om verschillende soorten deeltjes van elkaar te onderscheiden.

Het team analyseerde gegevens die in 2022 zijn verzameld, waarbij naar miljarden botsingsgebeurtenissen werd gekeken om de nauwkeurigheid van de timing van de detector te testen. Ze gebruikten twee onafhankelijke methoden om de resolutie te meten, oftewel het vermogen van de detector om twee zeer nabije aankomsttijden van elkaar te onderscheiden. De eerste methode vergeleken de aankomsttijden van twee verschillende deeltjes binnen hetzelfde botsingsevenement. Door naar het verschil tussen deze twee tijden te kijken, konden de onderzoekers onzekerheden gerelateerd aan het exacte moment van de botsing elimineren, waardoor de precisie van de detector zelf geïsoleerd kon worden. De tweede methode maakte gebruik van een apart, uiterst precies tijdsysteem elders in de detector om het exacte moment van de botsing vast te stellen, en vergeleek vervolgens de TOF-metingen met dit bekende startmoment. Beide benaderingen vereisten dat de onderzoekers rekening hielden met het feit dat de reactietijd van de detector licht kan variëren afhankelijk van de grootte van het elektrische signaal dat deze ontvangt, een fenomeen dat zij corrigeerden met behulp van gedetailleerde kalibratiedata.

De resultaten bevestigden dat het geüpgradede systeem uitzonderlijk goed presteert. Beide meetmethoden leverden consistente resultaten op, waarmee werd aangetoond dat de detector nu tijdsverschillen kan oplossen met een precisie van beter dan 80 picoseconden. Een picoseconde is één biljoenste van een seconde; om dit in perspectief te plaatsen, legt het licht in die minuscule fractie van een seconde slechts ongeveer drie centimeter af. Dit niveau van precisie is cruciaal omdat het de ALICE-experiment in staat stelt om deeltjes met een hogere impuls te identificeren dan voorheen mogelijk was, waardoor het bereik van de natuurkunde die zij kunnen bestuderen wordt uitgebreid. De onderzoekers merkten op dat hoewel de huidige prestaties al uitstekend zijn, er nog ruimte is voor verbetering naarmate zij hun kalibratieprocedures blijven verfijnen en het gedrag van de detector onder deze nieuwe operationele omstandigheden beter begrijpen. Zij verwachten dat het systeem met verdere afstemming uiteindelijk nog fijnere resoluties kan bereiken, die potentieel overeenkomen met de prestatie van 56 picoseconden die werd behaald bij zware ionenbotsingen aan het einde van de vorige operationele run.

De succesvolle werking van de geüpgradede TOF-detector toont aan dat de ALICE-collaboratie zich effectief heeft aangepast aan de eisen van de nieuwe omgeving met hoge datatarieven. De overgang naar continue uitlezing, gecombineerd met de renovatie van de elektronica van de detector en de ontwikkeling van nieuwe software voor gegevensverwerking, is bewezen een robuuste oplossing te zijn. Het artikel concludeert dat de detector volledig in staat is om de complexe taken van de deeltjesidentificatie te ondersteunen die vereist zijn voor de huidige en toekomstige fasen van het experiment. Deze prestatie zorgt ervoor dat de ALICE-detector een vooraanstaand instrument blijft voor het verkennen van de fundamentele eigenschappen van materie, waardoor wetenschappers hun onderzoek naar de aard van het universum kunnen voortzetten met hernieuwde precisie en capaciteit.