эксперимент АТЛАС

Эта статья о детекторе БАК в ЦЕРНе. Чтобы узнать о других экспериментах, см. Атлас (значения) .

Большой адронный коллайдер
(БАК)

План экспериментов БАК и преускорителей.
эксперименты на БАКе
АТЛАС	Тороидальный аппарат БАК
система управления контентом	Компактный мюонный соленоид
LHCb	БАК-красота
АЛИСА	Эксперимент на большом ионном коллайдере
ТОТЕМ	Полное сечение, упругое рассеяние и дифракционная диссоциация
БАКф	LHC-вперед
МОЕДАЛ	Монополь и детектор экзотики на БАКе
ФАЗЫ	эксперимент с прямым поиском
СНД	Детектор рассеяния и нейтрино
Преускорители БАК
р и Pb	Линейные ускорители протонов свинца (Linac 4) и ( Linac 3)
(не отмечено)	Протонный синхротронный ускоритель
ПС	Протонный синхротрон
СПС	Суперпротонный синхротрон

АТЛАС общего назначения Это крупнейший эксперимент по детектору частиц на Большом адронном коллайдере (БАК), ускорителе частиц в ЦЕРН (Европейской организации ядерных исследований) в Швейцарии. Эксперимент предназначен для того, чтобы воспользоваться беспрецедентной энергией, доступной на БАКе, и наблюдать явления, в которых участвуют очень массивные частицы , которые невозможно было наблюдать с помощью более ранних ускорителей с более низкой энергией . ATLAS был одним из двух экспериментов БАКа, приведших к открытию бозона Хиггса в июле 2012 года. Он также был разработан для поиска доказательств существования теорий физики элементарных частиц за пределами Стандартной модели .

В эксперименте участвуют 6003 участника, из которых 3822 — физики (последнее обновление: 26 июня 2022 г.) из 257 учреждений в 42 странах.

История

Рост ускорителя частиц

Строящийся детектор ATLAS в октябре 2004 г. в экспериментальной яме. Строительство было завершено в 2008 году, и ATLAS успешно собирает данные с ноября 2009 года, когда началась работа на встречных лучах на БАКе. Обратите внимание на людей на заднем плане для сравнения размеров.

Первый циклотрон , ускоритель частиц раннего типа, был построен Эрнестом О. Лоуренсом в 1931 году, с радиусом всего несколько сантиметров и энергией частиц 1 мегаэлектронвольт (МэВ) . С тех пор ускорители значительно расширились в стремлении производить новые частицы все большей и большей массы . По мере роста ускорителей растет и список известных частиц , для исследования которых они могут быть использованы.

АТЛАС Сотрудничество

Коллаборация ATLAS, международная группа физиков, принадлежащих к различным университетам и исследовательским центрам, создавшим и эксплуатирующим детектор, была сформирована в 1992 году, когда были предложены EAGLE (Эксперимент по точным измерениям гамма-, лептонов и энергии) и ASCOT (Аппарат со сверхпроводящими тороидами). ) объединили свои усилия для создания единого детектора частиц общего назначения для нового ускорителя частиц — Большого адронного коллайдера . В настоящее время в коллаборацию ATLAS входят 6003 члена, из которых 3822 — физики (последнее обновление: 26 июня 2022 г.) из 257 учреждений в 42 странах.

Проектирование и конструкция детектора

Эта конструкция представляла собой комбинацию двух предыдущих проектов для LHC, EAGLE и ASCOT, а также использовала результаты исследований и разработок детекторов, которые были выполнены для сверхпроводящего суперколлайдера , американского проекта, прерванного в 1993 году. Эксперимент ATLAS был предложен в его нынешнем виде. была создана в 1994 году и официально профинансирована странами-членами ЦЕРН в 1995 году. и другие страны, университеты и лаборатории В последующие годы к ней присоединились . Строительные работы начались в отдельных учреждениях, а затем, начиная с 2003 года, компоненты детектора были отправлены в ЦЕРН и собраны в экспериментальной яме ATLAS.

Работа детектора

эксперимента были обнаружены первые события одиночного пучка протонов . Строительство было завершено в 2008 году, и 10 сентября того же года в ходе Затем сбор данных был прерван более чем на год из-за инцидента с гашением магнита БАК . 23 ноября 2009 г. первые протон-протонные столкновения произошли на БАК и были зарегистрированы ATLAS при относительно низкой энергии инжекции 900 ГэВ в центр масс столкновения. С тех пор энергия БАК возрастала: 1,8 ТэВ в конце 2009 года, 7 ТэВ за весь 2010 и 2011 годы, затем 8 ТэВ в 2012 году. Первый период сбора данных, проведенный между 2010 и 2012 годами, называется запуском I. После длительного отключения (LS1) в 2013 и 2014 годах в 2015 году ATLAS увидел столкновения 13 ТэВ. Второй период сбора данных, Run II, был завершен, всегда при энергии 13 ТэВ, в конце 2018 года с зарегистрированной интегральной светимостью почти 140 фб. ⁻¹ (обратный фемточайлд ). Второе длительное отключение (LS2) в 2019–2022 годах с обновлением детектора ATLAS. За ним последовал забег III, который стартовал в июле 2022 года.

Периоды БАКа	операция
2010 – 2012	Беги я
2013 – 2014	ЛС1
2015 – 2018	Запуск II
2019 – 2022	ЛС2
2022 – 2025	Запуск III

Лидерство

Андреас Хекер, руководитель проекта с 2021 года.

Сотрудничество ATLAS в настоящее время возглавляют пресс-секретарь Андреас Хеккер и заместители пресс-секретаря Маруми Кадо и Мануэлла Винктер . Бывшими пресс-секретарями были:

Фридрих Дыдак и Питер Йенни	(1992 – 1995)
Питер Дженни	(1995 – 2009)
Фабиола Джанотти	(2009 – 2013)
Дэвид Чарльтон	(2013 – 2017)
Карл Якобс	(2017 – 2021)

Экспериментальная программа

В области физики элементарных частиц ATLAS изучает различные типы процессов, обнаруженных или обнаруживаемых в энергетических столкновениях на Большом адронном коллайдере (БАК). Для уже известных процессов речь идет о все более точном измерении свойств известных частиц или поиске количественных подтверждений Стандартной модели . Не наблюдаемые до сих пор процессы позволили бы, в случае их обнаружения, открыть новые частицы или получить подтверждение физических теорий, выходящих за рамки Стандартной модели .

Стандартная модель

Стандартная модель физики элементарных частиц — это теория, описывающая три из четырех известных фундаментальных сил ( электромагнитное , слабое и сильное взаимодействия, исключая гравитацию ) во Вселенной , а также классифицирующая все известные элементарные частицы . Он разрабатывался поэтапно на протяжении второй половины 20-го века благодаря работе многих ученых по всему миру. нынешняя формулировка была окончательно доработана в середине 1970-х годов после экспериментального подтверждения существования кварков . С тех пор подтверждение существования топ-кварка (1995 г.), тау-нейтрино (2000 г.) и бозона Хиггса (2012 г.) еще больше усилило доверие к Стандартной модели . Кроме того, Стандартная модель с большой точностью предсказала различные свойства слабых нейтральных токов и W- и Z-бозонов .

Хотя Стандартная модель считается теоретически самосогласованной. и продемонстрировал огромные успехи в экспериментальных предсказаниях , он оставляет некоторые явления необъяснимыми и не может стать полной теорией фундаментальных взаимодействий . Он не полностью объясняет барионную асимметрию и не включает полную теорию гравитации. как описано общей теорией относительности , или объяснить ускоряющееся расширение Вселенной , которое, возможно, описывается темной энергией . Модель не содержит ни одной жизнеспособной частицы темной материи , которая обладала бы всеми необходимыми свойствами, выведенными из наблюдательной космологии . Он также не учитывает нейтринные осцилляции и их ненулевые массы.

Прецизионные измерения

За важным исключением бозона Хиггса , обнаруженного экспериментами ATLAS и CMS в 2012 году, все частицы, предсказанные Стандартной моделью, наблюдались в предыдущих экспериментах. В этой области, помимо открытия бозона Хиггса , экспериментальная работа ATLAS была сосредоточена на прецизионных измерениях, направленных на определение со все большей точностью многих физических параметров теории. В частности для

• Хиггса бозон ;
• W- и Z-бозоны ;
• верхний ​ и нижний кварки

АТЛАС измеряет:

• массы ;
• каналы производства, распада и средняя продолжительность жизни ;
• Механизмы взаимодействия и константы связи для электрослабых и сильных взаимодействий .

Например, данные, собранные ATLAS, позволили в 2018 году измерить массу [(80,370±19) МэВ ] W-бозона , одного из двух медиаторов слабого взаимодействия , с погрешностью измерения ±2,4 ‰ .

Бозон Хиггса

Схемы, называемые диаграммами Фейнмана, показывают основные способы образования бозона Хиггса Стандартной модели из сталкивающихся протонов на БАКе.

Одной из наиболее важных целей ATLAS было исследование недостающей части Стандартной модели — бозона Хиггса . Механизм Хиггса , включающий бозон Хиггса, придает массу элементарным частицам, что приводит к различиям между слабым взаимодействием и электромагнетизмом, поскольку придает массу W- и Z-бозонам, оставляя фотон безмассовым.

4 июля 2012 года ATLAS вместе с CMS, родственным экспериментом на БАКе, сообщил о доказательствах существования частицы, соответствующей бозону Хиггса, с уровнем достоверности 5 сигм . с массой около 125 ГэВ, или в 133 раза больше массы протона. Эта новая «хиггсовская» частица была обнаружена по ее распаду на два фотона ( $H\rightarrow \gamma \gamma$) и его распад на четыре лептона ( $H\rightarrow ZZ^{*}\rightarrow 4l$ и $H\rightarrow WW^{*}\rightarrow e\nu \mu \nu$).

В марте 2013 года в свете обновленных результатов ATLAS и CMS ЦЕРН объявил, что новая частица действительно является бозоном Хиггса. Эксперименты также смогли показать, что свойства частицы, а также способы ее взаимодействия с другими частицами хорошо совпадают со свойствами бозона Хиггса, который, как ожидается, будет иметь спин 0 и положительную четность . Анализ дополнительных свойств частицы и данные, собранные в 2015 и 2016 годах, еще раз подтвердили это.

В октябре 2013 года двое физиков-теоретиков, предсказавших существование бозона Хиггса Стандартной модели, Питер Хиггс и Франсуа Энглерт , были удостоены Нобелевской премии по физике .

Свойства топ-кварка

Свойства топ-кварка , открытого в Фермилабе в 1995 году, были приблизительно измерены. Обладая гораздо большей энергией и большей частотой столкновений, БАК производит огромное количество топ-кварков, что позволяет ATLAS проводить гораздо более точные измерения его массы и взаимодействия с другими частицами. Эти измерения предоставляют косвенную информацию о деталях Стандартной модели с возможностью выявления несоответствий, указывающих на новую физику.

За пределами стандартной модели

Хотя Стандартная модель предсказывает, что кварки , лептоны и нейтрино должны существовать, она не объясняет, почему массы этих частиц настолько различны (они различаются на порядки ). Более того, масса нейтрино должна быть, согласно Стандартной модели , точно равна нулю, как масса фотона . Вместо этого нейтрино имеют массу . В 1998 году результаты исследований на детекторе Супер-Камиоканде показали, что нейтрино могут колебаться от одного аромата к другому, что означает, что они имеют массу, отличную от нуля. По этим и другим причинам многие физики элементарных частиц полагают, что Стандартная модель может разрушиться при энергиях в масштабе тераэлектронвольта (ТэВ) или выше. Большинство альтернативных теорий, Теории Великого Объединения (GUT), включая суперсимметрию (SUSY), предсказывают существование новых частиц с массами , превышающими массы Стандартной модели .

Суперсимметрия

Большинство предлагаемых в настоящее время теорий предсказывают появление новых частиц с большей массой, некоторые из которых могут быть достаточно легкими, чтобы их можно было наблюдать с помощью ATLAS. Модели суперсимметрии включают новые очень массивные частицы. высоких энергий Во многих случаях они распадаются на кварки и стабильные тяжелые частицы, которые вряд ли будут взаимодействовать с обычной материей. Стабильные частицы ускользнули бы из детектора, оставив в качестве сигнала одну или несколько кварковых струй высокой энергии и большое количество «недостающего» импульса . Другие гипотетические массивные частицы, подобные тем, которые фигурируют в теории Калуцы-Клейна , могут оставлять аналогичную подпись. Данные, собранные до конца второго запуска LHC, не содержат доказательств наличия суперсимметричных или неожиданных частиц, исследование которых будет продолжено в данных, которые будут собраны начиная с третьего запуска.

нарушение CP

асимметрия между поведением материи и антиматерии , известная как CP-нарушение . Также исследуется Недавние эксперименты, посвященные измерениям CP-нарушения, такие как BaBar и Belle , не обнаружили достаточного CP-нарушения в Стандартной модели, чтобы объяснить отсутствие обнаруживаемой антиматерии во Вселенной. Вполне возможно, что новые физические модели внесут дополнительные CP-нарушения, проливая свет на эту проблему. Доказательства, подтверждающие эти модели, могут быть обнаружены либо непосредственно путем образования новых частиц, либо косвенно путем измерения свойств B- и D- мезонов . LHCb , эксперимент БАК, посвященный B-мезонам, вероятно, лучше подходит для последнего.

Микроскопические черные дыры

Некоторые гипотезы, основанные на модели ADD , предполагают большие дополнительные измерения и предсказывают, что микрочерные дыры могут быть образованы БАКом. Они немедленно распались бы под действием излучения Хокинга , создав все частицы Стандартной модели в равных количествах и оставив недвусмысленную сигнатуру в детекторе ATLAS.

Детектор АТЛАС

Детектор ATLAS имеет длину 46 метров, диаметр 25 метров и вес около 7000 тонн; он содержит около 3000 км кабеля.

27 км На окружном расстоянии Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе сталкивает вместе два пучка протонов, причем каждый протон несет энергию до 6,8 ТэВ – этого достаточно для образования частиц с массами, значительно превышающими массы любых известных в настоящее время частиц, если эти частицы существовать. протонов, Когда пучки создаваемые Большим адронным коллайдером, взаимодействуют в центре детектора, образуется множество различных частиц с широким диапазоном энергий.

Требования общего назначения

Детектор ATLAS спроектирован как универсальный. Вместо того, чтобы сосредотачиваться на конкретном физическом процессе, ATLAS предназначен для измерения максимально широкого диапазона сигналов. Это сделано для того, чтобы гарантировать, что какую бы форму ни приняли новые физические процессы или частицы, ATLAS сможет их обнаружить и измерить их свойства. ATLAS предназначен для обнаружения этих частиц, а именно их массы, импульса , энергии , времени жизни, зарядов и ядерных спинов .

Эксперименты на более ранних коллайдерах, таких как Тэватрон и Большой электрон-позитронный коллайдер , также были предназначены для обнаружения общего назначения. Однако энергия пучка и чрезвычайно высокая частота столкновений требуют, чтобы ATLAS был значительно больше и сложнее, чем предыдущие эксперименты, что представляет собой уникальные проблемы Большого адронного коллайдера.

Многослойный дизайн

Чтобы идентифицировать все частицы, образующиеся в точке взаимодействия пучков частиц, детектор состоит из слоев, состоящих из детекторов разных типов, каждый из которых предназначен для наблюдения за определенными типами частиц. Различные следы, которые частицы оставляют в каждом слое детектора, позволяют эффективно идентифицировать частицы и точно измерять энергию и импульс. (Роль каждого слоя в детекторе обсуждается ниже .) По мере увеличения энергии частиц, производимых ускорителем, прикрепленные к нему детекторы должны расти, чтобы эффективно измерять и останавливать частицы более высокой энергии. По состоянию на 2022 год детектор ATLAS является крупнейшим из когда-либо построенных на коллайдере частиц.

Детекторные системы

Компьютерный разрез детектора ATLAS, показывающий его различные компоненты.
Мюонный спектрометр :
(1) Передние области (заглушки)
(1) Область ствола
Магнитная система :
(2) Тороидальные магниты
(3) Соленоидный магнит
Внутренний детектор :
(4) Трекер переходного излучения
(5) Полупроводниковый трекер
(6) Детектор пикселей
Калориметры :
(7) Калориметр жидкого аргона
(8) Плиточный калориметр

Детектор АТЛАС состоит из серии все более крупных концентрических цилиндров вокруг точки взаимодействия , где сталкиваются пучки протонов из БАК. Поддержание работоспособности детектора в зонах с высоким уровнем радиации, непосредственно окружающих протонные пучки, является серьезной инженерной задачей. Детектор можно разделить на четыре основные системы:

1. Внутренний детектор;
2. Калориметры;
3. мюонный спектрометр;
4. Магнитная система.

Каждый из них, в свою очередь, состоит из нескольких слоев. Детекторы дополняют друг друга: внутренний детектор точно отслеживает частицы, калориметры измеряют энергию легко останавливаемых частиц, а мюонная система производит дополнительные измерения мюонов с высокой проникающей способностью. Две магнитные системы изгибают заряженные частицы во внутреннем детекторе и мюонном спектрометре, позволяя их электрические заряды и импульсы измерять . Единственными установленными стабильными частицами, которые невозможно обнаружить напрямую, являются нейтрино ; их присутствие определяется путем измерения дисбаланса импульсов обнаруженных частиц. Чтобы это работало, детектор должен быть « герметичным », то есть он должен обнаруживать все образующиеся ненейтрино без слепых пятен.

Установка всех вышеперечисленных детекторных систем была завершена в августе 2008 года. Детекторы собрали миллионы космических лучей во время ремонта магнитов, который проходил между осенью 2008 года и осенью 2009 года, перед первыми протонными столкновениями. Детектор работал с эффективностью, близкой к 100%, и обеспечивал характеристики, очень близкие к проектным.

Внутренний детектор

Центральная секция TRT (отслеживание переходного излучения), самая внешняя часть внутреннего детектора, собранная над землей и принимающая данные от космических лучей. в сентябре 2005 года.

Внутренний детектор начинается в нескольких сантиметрах от оси пучка протонов, простирается до радиуса 1,2 метра и имеет длину 6,2 метра вдоль трубы пучка. Его основная функция — отслеживать заряженные частицы, обнаруживая их взаимодействие с материалом в дискретных точках, предоставляя подробную информацию о типах частиц и их импульсе. Внутренний детектор состоит из трех частей, которые описаны ниже.

Магнитное поле, окружающее весь внутренний детектор, заставляет заряженные частицы искривляться; направление кривой показывает заряд частицы, а степень кривизны показывает ее импульс. Начальные точки треков дают полезную информацию для идентификации частиц ; например, если кажется, что группа треков происходит из точки, отличной от исходного протон-протонного столкновения, это может быть признаком того, что частицы произошли в результате распада адрона с нижним кварком (см. b-тегирование ).

Пиксельный детектор

Пиксельный детектор, Самая внутренняя часть детектора содержит четыре концентрических слоя и три диска на каждой торцевой крышке, всего 1744 модуля , каждый размером 2 на 6 сантиметров. Детектирующий материал представляет собой кремний толщиной 250 мкм . Каждый модуль содержит 16 микросхем считывания и другие электронные компоненты. Наименьшая единица измерения, которую можно считать, — это пиксель (50 на 400 микрометров); на модуль приходится примерно 47 000 пикселей.

Мельчайший размер пикселя предназначен для чрезвычайно точного отслеживания очень близко к точке взаимодействия. Всего Пиксель-детектор имеет более 92 миллионов каналов считывания, что составляет около 50% от общего числа каналов считывания всего детектора. Такое большое количество создало значительную проблему проектирования и проектирования. Еще одной проблемой было излучение , которому подвергается пиксельный детектор из-за его близости к точке взаимодействия, что требует, чтобы все компоненты были радиационно устойчивыми , чтобы продолжать работу после значительного воздействия.

Полупроводниковый трекер

Полупроводниковый трекер (SCT) — это средний компонент внутреннего детектора. По концепции и функциям он похож на пиксельный детектор, но имеет длинные узкие полоски, а не маленькие пиксели, что позволяет практично охватить большую площадь. Размер каждой полоски составляет 80 микрометров на 12 сантиметров. SCT является наиболее важной частью внутреннего детектора для базового отслеживания в плоскости, перпендикулярной лучу, поскольку он измеряет частицы на гораздо большей площади, чем пиксельный детектор, с большим количеством точек выборки и примерно одинаковой (хотя и одномерной) точностью. . Он состоит из четырех двойных слоев кремниевых полосок, имеет 6,3 миллиона каналов считывания и общую площадь 61 квадратный метр.

Трекер переходной радиации

Устройство отслеживания переходного излучения (TRT), самый внешний компонент внутреннего детектора, представляет собой комбинацию строу-трекера и детектора переходного излучения . Детектирующие элементы представляют собой дрейфовые трубки (строучки) диаметром четыре миллиметра каждая и длиной до 144 сантиметров. Неопределенность измерения положения трека (разрешение положения) составляет около 200 микрометров. Это не так точно, как для двух других детекторов, но необходимо было снизить стоимость покрытия большего объема и иметь возможность обнаружения переходного излучения. Каждая соломинка наполнена газом, который ионизируется при прохождении через нее заряженной частицы. Строу удерживают при напряжении около -1500 В, направляя отрицательные ионы к тонкой проволоке по центру каждой соломинки, создавая импульс тока (сигнал) в проволоке. Провода с сигналами создают узор из «попадающих» соломинок, которые позволяют определить путь частицы. Между строу материалы с широко варьирующимися показателями преломления вызывают образование ультрарелятивистских заряженных частиц. переходное излучение и оставляют в некоторых строуках гораздо более сильные сигналы. Ксенон и аргон используются для увеличения количества строу с сильными сигналами. Поскольку количество переходного излучения является наибольшим для высокорелятивистских частиц (со скоростью, очень близкой к скорости света ), и поскольку частицы определенной энергии имеют более высокую скорость, чем легче они, траектории частиц со многими очень сильными сигналами могут быть отождествлены с принадлежащими к легчайшим заряженным частицам: электронам и их античастицам, позитронам . Всего в TRT имеется около 298 000 соломинок.

Калориметры

Сентябрь 2005 г.: Основная секция адронного калориметра ATLAS ожидает перемещения внутри тороидальных магнитов.

Одна из секций расширения адронного калориметра , ожидающая установки в конце февраля 2006 года.

Удлиненная бочкообразная часть адронного калориметра.

Калориметры ​ расположены снаружи соленоидного магнита , окружающего внутренний детектор. Их цель — измерить энергию частиц путем ее поглощения. Существует две основные системы калориметров: внутренний электромагнитный калориметр и внешний адронный калориметр. Оба являются пробоотборными калориметрами ; то есть они поглощают энергию в металле высокой плотности и периодически проверяют форму образующегося потока частиц , делая вывод об энергии исходной частицы на основе этого измерения.

Электромагнитный калориметр

Электромагнитный (ЭМ) калориметр поглощает энергию частиц, которые взаимодействуют электромагнитно , включая заряженные частицы и фотоны. Он имеет высокую точность как по количеству поглощаемой энергии, так и по точному местоположению выделяемой энергии. Угол между траекторией частицы и осью луча детектора (или, точнее, псевдобыстрота ) и его угол внутри перпендикулярной плоскости измеряются с точностью примерно 0,025 радиан . Барабанный ЭМ-калориметр имеет электроды в форме гармошки, энергопоглощающие материалы - свинец и нержавеющая сталь , с жидким аргоном в качестве материала для отбора проб, а криостат вокруг ЭМ-калориметра требуется , чтобы поддерживать его достаточное охлаждение.

Адронный калориметр

Адронный калориметр поглощает энергию частиц, которые проходят через ЭМ-калориметр, но взаимодействуют посредством сильного взаимодействия ; эти частицы в основном представляют собой адроны. Он менее точен как по величине энергии, так и по локализации (всего около 0,1 радиана). Энергопоглощающим материалом является сталь со сверкающими плитками, которые измеряют выделяемую энергию. Многие характеристики калориметра выбраны из-за их экономической эффективности; Прибор большой и состоит из огромного количества конструкционного материала: основная часть калориметра – плиточный калориметр – имеет диаметр 8 метров и охватывает 12 метров по оси луча. Дальние передние секции адронного калориметра содержатся внутри криостата переднего ЭМ-калориметра и также используют жидкий аргон, а в качестве поглотителей используются медь и вольфрам.

Мюонный спектрометр

Мюонный ​ спектрометр представляет собой чрезвычайно большую систему отслеживания, состоящую из трех частей:

1. Магнитное поле, создаваемое тремя тороидальными магнитами;
2. Комплекс из 1200 камер, с высокой пространственной точностью измеряющих треки уходящих мюонов;
3. Набор триггерных камер с точным временным разрешением.

Протяженность этого субдетектора начинается с радиуса 4,25 м вблизи калориметров и заканчивается до полного радиуса детектора (11 м). Его огромные размеры необходимы для точного измерения импульса мюонов, которые сначала проходят через все остальные элементы детектора, прежде чем попасть в мюонный спектрометр. Он был разработан для автономного измерения импульса мюонов с энергией 100 ГэВ с точностью 3% и мюонов с энергией 1 ТэВ с точностью 10%. Было жизненно важно приложить все усилия для сборки такого большого оборудования, потому что ряд интересных физических процессов можно наблюдать только в том случае, если будет обнаружен один или несколько мюонов, а также потому, что полную энергию частиц в событии невозможно измерить. если бы мюоны игнорировались. Он функционирует аналогично Внутреннему детектору: мюоны изгибаются так, что их импульс можно измерить, хотя и с другой конфигурацией магнитного поля , меньшей пространственной точностью и гораздо большим объемом. Он также выполняет функцию простой идентификации мюонов — ожидается, что очень немногие частицы других типов пройдут через калориметры и впоследствии оставят сигналы в мюонном спектрометре. Он имеет около миллиона каналов считывания, а общая площадь слоев детекторов составляет 12 000 квадратных метров.

Магнитная система

Восемь тороидальных магнитов детектора ATLAS

Концы четырех из восьми тороидальных магнитов ATLAS, вид вниз с высоты примерно 90 метров, сентябрь 2005 года.

Детектор ATLAS использует две большие сверхпроводящие магнитные системы, которые изменяют траекторию заряженных частиц, чтобы можно было измерить их импульс. Этот изгиб обусловлен силой Лоренца , модуль которой пропорционален электрическому заряду. $q$ частицы, к ее скорости $v$ и к интенсивности $B$ магнитного поля:

$F=q\,v\,B.$

на БАКе, Поскольку все частицы, образующиеся в результате столкновений протонов движутся со скоростью, очень близкой к скорости света в вакууме. $(v\simeq c)$, сила Лоренца примерно одинакова для всех частиц с одинаковым электрическим зарядом $q$:

$F\simeq q\,c\,B.$

Радиус кривизны $r$ благодаря силе Лоренца равна

$r={\frac {p}{q\,B}}.$

где $p=\gamma \,m\,v$ – релятивистский импульс частицы. В результате частицы с высоким импульсом искривляются очень мало (большие $r$), тогда как частицы с малым импульсом значительно искривляются (малые $r$). Величину кривизны частицы импульс можно определить количественно, и по этому значению можно определить .

Соленоидный магнит

Внутренний соленоид создает магнитное поле в два тесла, окружающее внутренний детектор. Это сильное магнитное поле позволяет даже очень энергичным частицам изгибаться достаточно, чтобы можно было определить их импульс, а его почти однородное направление и сила позволяют проводить очень точные измерения. Частицы с импульсом ниже примерно 400 МэВ будут искривлены настолько сильно, что будут многократно повторяться в поле и, скорее всего, не будут измерены; однако эта энергия очень мала по сравнению с энергией в несколько ТэВ , выделяющейся при каждом столкновении протонов.

Тороидальные магниты

Внешнее тороидальное магнитное поле создается восемью очень большими сверхпроводящими бочкообразными петлями с воздушным сердечником и двумя воздушными тороидальными магнитами с меньшими торцевыми крышками, всего 24 бочкообразных петли, все из которых расположены вне калориметров и внутри мюонной системы. Это магнитное поле простирается на площади 26 метров в длину и 20 метров в диаметре и хранит 1,6 гигаджоулей энергии. Его магнитное поле неоднородно, потому что создание соленоидного магнита достаточного размера было бы непомерно дорогим. Оно варьируется от 2 до 8 Тесламетров.

Передние детекторы

Дополнительная информация: Проект ATLAS Forward Proton.

Детектор ATLAS дополняется набором из четырех субдетекторов в передней части для измерения частиц под очень малыми углами.

1. LUCID (Интегрирующий черенковский детектор LUminosity)
   это первый из этих детекторов, предназначенный для измерения светимости и расположенный в каверне ATLAS на расстоянии 17 м от точки взаимодействия двух мюонных концевых колпачков;
2. ZDC (калориметр нулевой степени)
   предназначен для измерения нейтральных частиц по оси луча и расположен на расстоянии 140 м от IP в туннеле БАК, где два луча снова разделяются на отдельные лучевые трубы;
3. AFP (Атлас Форвард Протон)
   предназначен для маркировки дифракционных явлений и расположен на высотах 204 м и 217 м;
4. АЛЬФА (абсолютная яркость для ATLAS)
   предназначен для измерения упругого рассеяния протонов, расположенного на высоте 240 м непосредственно перед изгибающими магнитами дуги БАК.

Системы данных

Генерация данных

Ранее системы считывания показаний детекторов частиц и обнаружения событий были основаны на параллельных общих шинах, таких как VMEbus или FASTBUS . Поскольку такая архитектура шины не может удовлетворить потребности в данных детекторов LHC, все системы сбора данных ATLAS полагаются на высокоскоростные каналы связи «точка-точка» и коммутационные сети. Даже при наличии современной электроники для считывания и хранения данных детектор ATLAS генерирует слишком много необработанных данных, чтобы их можно было считать или сохранить: около 25 МБ на одно необработанное событие, умноженное на 40 миллионов пересечений луча в секунду (40 МГц ) в центре детектора. . Это производит в общей сложности 1 петабайт необработанных данных в секунду. Избегая записи пустых сегментов каждого события (подавление нуля), которые не содержат физической информации, средний размер события уменьшается до 1,6 МБ , что в сумме составляет 64 терабайта данных в секунду.

Триггерная система

Триггерная ​ система использует быструю реконструкцию событий для выявления в реальном времени наиболее интересных событий , которые необходимо сохранить для детального анализа. Во второй период сбора данных на БАКе, Run-2, было два различных триггерных уровня:

1. Триггер уровня 1 (L1), реализованный на специальном оборудовании на месте обнаружения. Решение о сохранении или отклонении данных о событии принимается менее чем за 2,5 мкс. Он использует информацию пониженной детализации от калориметров и мюонного спектрометра и снижает частоту событий при считывании с 40 МГц до 100 кГц . Таким образом, коэффициент отклонения L1 равен 400.
2. Триггер высокого уровня (HLT), реализованный программно, использует компьютерную батарею, состоящую примерно из 40 000 процессоров . Чтобы решить, какое из 100 000 событий в секунду, поступающих от L1, сохранить, конкретный анализ каждого столкновения проводится за 200 мкс. HLT использует ограниченные области детектора, так называемые области интереса (RoI), которые должны быть восстановлены с полной детализацией детектора, включая отслеживание, и позволяет сопоставлять запасы энергии с треками. Коэффициент отклонения HLT равен 100: после этого шага частота событий снижается со 100 до 1 кГц . Остальные данные, соответствующие примерно 1000 событиям в секунду, сохраняются для дальнейшего анализа.

Процесс анализа

ATLAS постоянно записывает более 10 петабайт данных в год. в автономном режиме Реконструкция событий выполняется для всех постоянно хранящихся событий, превращая структуру сигналов от детектора в физические объекты, такие как струи , фотоны и лептоны . Грид-вычисления широко используются для реконструкции событий, позволяя параллельно использовать университетские и лабораторные компьютерные сети по всему миру для ресурсоемкой задачи по преобразованию больших объемов необработанных данных в форму, пригодную для физического анализа. Программное обеспечение для этих задач разрабатывается уже много лет, и его доработки продолжаются даже после начала сбора данных. Отдельные лица и группы в рамках сотрудничества постоянно пишут свой собственный код для дальнейшего анализа этих объектов, поиска закономерностей обнаруженных частиц для конкретных физических моделей или гипотетических частиц. Эта деятельность требует обработки 25 петабайт данных в неделю.

Пустяки

Исследователь, изображенный для масштаба на знаменитом изображении детектора ATLAS, — Роджер Рубер, исследователь из Уппсальского университета, Швеция. Рубер, один из исследователей, ответственных за центральный криостатный магнит детектора ATLAS, осматривал магниты в туннеле БАК в то время, когда фотограф Максимилиан Брис готовился фотографировать детектор ATLAS. Брайс попросил Рубера встать у основания детектора, чтобы проиллюстрировать масштаб детектора ATLAS. Об этом рассказал Максимилиан Брайс и подтвердил Роджер Рубер во время интервью в 2020 году с Ребеккой Сметерст из Оксфордского университета.

Дальнейшее чтение

• Техническое предложение АТЛАС. ЦЕРН: Эксперимент «Атлас». Проверено 10 апреля 2007 г.
• « Отчет о техническом проекте детектора ATLAS и его физических характеристиках ». ЦЕРН : Эксперимент «Атлас». Проверено 10 апреля 2007 г.
• Н.В. Красников; В.А. Матвеев (сентябрь 1997 г.). «Физика на БАКе». Физика частиц и ядер . 28 (5): 441–470. arXiv : hep-ph/9703204 . Бибкод : 1997ППН....28..441К . дои : 10.1134/1.953049 . S2CID   118907038 .
• Эксперимент с Атласом Моника Линн Данфорд и Питер Дженни, Scholarpedia 9 (10): 32147. doi:10.4249/scholarpedia.32147

Внешние ссылки

• Официальная общедоступная веб-страница ATLAS в ЦЕРНе («Отмеченный наградами фильм ATLAS» — очень хорошее общее представление!)
• Официальная веб-страница сотрудничества ATLAS в ЦЕРН (множество технической и логистической информации)
• Веб-камеры пещеры ATLAS
• Таймлапс видео сборки
• Раздел ATLAS с сайта США/LHC
• Статья New York Times о БАКе и экспериментах
• Статья Министерства энергетики США об ATLAS. Архивировано 1 марта 2021 г. в Wayback Machine.
• Директор проекта Большого адронного коллайдера д-р Лин Эванс, CBE, о разработке эксперимента ATLAS, Ingenia , июнь 2008 г. журнал
• Коллаборация ATLAS, G Aad; и др. (14 августа 2008 г.). «Эксперимент ATLAS на Большом адроном коллайдере ЦЕРН» . Журнал приборостроения . 3 (С08003): С08003. Бибкод : 2008JInst...3S8003A . дои : 10.1088/1748-0221/3/08/S08003 . hdl : 2027.42/64167 . S2CID   250683252 . (Полная проектная документация)
• Модель LEGO ATLAS , созданная ученым ATLAS из Института Нильса Бора.
• Падилья, Антонио (Тони). «АТЛАС на Большом адронном коллайдере» . Шестьдесят символов . Брэди Харан из Ноттингемского университета .
• «ATLAS отмечает результаты 1000 статей о коллизиях» . АТЛАС . Проверено 3 августа 2021 г.
• Рекорд эксперимента ATLAS на INSPIRE-HEP