Войти
| Эксперименты на LHC | |
|---|---|
| ATLAS | Аппарат на тороидальном LHC |
| CMS | Компактный мюонный соленоид |
| LHCb | LHC-beauty |
| ALICE | Эксперимент на большом ионном коллайдере |
| TOTEM | Полное сечение, упругое рассеяние и Дифракционная диссоциация |
| LHCf | LHC-forward |
| MoEDAL | Детектор монополя и экзотики на LHC |
| FASER | Эксперимент прямого поиска |
| Предускорители LHC | |
| p и Pb | Линейные ускорители для протонов (Linac 2) и Lead (Linac 3) |
| (не отмечены) | Протонный синхротронный ускоритель |
| PS | Протонный синхротрон |
| SPS | суперпротонный синхротрон |
Координаты : 46 ° 14′8 ″ с.ш., 6 ° 3′19 ″ в.д. / 46,23556 ° с.ш., 6,05528 ° в.д. / 46,23556; 6.05528 ATLAS(Тороидальный LHC ApparatuS) - крупнейший эксперимент общего назначения детектор частиц на Большом адронном коллайдере (LHC), ускоритель частиц в ЦЕРН (Европейская организация ядерных исследований) в Швейцарии. Эксперимент разработан, чтобы воспользоваться беспрецедентной энергией, доступной на LHC, и наблюдать явления, которые связаны с очень массивными частицами, которые не наблюдались на более ранних ускорителях с более низкой энергией. ATLAS был одним из двух экспериментов на LHC, участвовавших в открытии бозона Хиггса в июле 2012 года. Он также был разработан для поиска доказательств теорий физики частиц за пределами стандартной модели.
детектора ATLAS с панорамой 360 °Эксперимент является результатом сотрудничества примерно 3000 физиков из 183 организаций в 38 странах. Первые 15 лет проектом руководил Питер Дженни, с 2009 по 2013 год возглавлял Фабиола Джанотти, а с 2013 по 2017 год - Дэвид Чарльтон. Сотрудничество ATLAS в настоящее время возглавляет Карл Якобс.
Первый циклотрон, ускоритель частиц раннего типа, был построен Эрнестом О. Лоуренсом в 1931 году с радиусом всего несколько сантиметров и энергия частицы 1 мегаэлектронвольт (МэВ). С тех пор ускорители сильно выросли в стремлении производить новые частицы все большей и большей массы. По мере роста ускорителей увеличился и список известных частиц, которые они могли бы использовать для исследования.
Группа ATLAS Collaboration, группа физиков, которые построили и запустили детектор, была сформирована в 1992 году, когда предложенный Сотрудничество EAGLE (Эксперимент по точным измерениям гамма-, лептонного излучения и энергии) и ASCOT (Аппарат со сверхпроводящими тороидами) объединило свои усилия для создания единого универсального детектора частиц для Большого адронного коллайдера.
Конструкция представляла собой комбинацию двух предыдущих экспериментов, а также извлекла выгоду из исследований и разработок детектора, которые были выполнены для сверхпроводящего суперколлайдера. Эксперимент ATLAS в его нынешней форме был предложен в 1994 году и официально финансируется странами-членами CERN в 1995 году. В последующие годы к нему присоединились другие страны, университеты и лаборатории. Строительные работы начались в отдельных учреждениях, затем компоненты детекторов были отправлены в ЦЕРН и собраны в экспериментальной яме ATLAS, начиная с 2003 года.
Строительство было завершено в 2008 году, и эксперимент выявил его первые однолучевые события 10 сентября того же года. После этого сбор данных был прерван более чем на год из-за инцидента с гашением магнита на LHC . 23 ноября 2009 г. первые протон -протонные столкновения произошли на LHC и были зарегистрированы ATLAS при относительно низкой энергии инжекции 450 ГэВ на пучок. С тех пор энергия LHC увеличивалась: 900 ГэВ на пучок в конце 2009 г., 3500 ГэВ на весь 2010 и 2011 гг., Затем 4000 ГэВ на пучок в 2012 г. Первый период сбора данных, проведенный в период с 2010 по 2012 г. называется Run I. После длительного останова (LS1) в 2013 и 2014 годах в 2015 году на ATLAS было зарегистрировано 6500 ГэВ на пучок. Второй период сбора данных, прогон II, был завершен в конце 2018 года с зарегистрированной интегрированной светимостью почти 140 / фб. За этим последовала вторая длительная остановка (LS2) в 2019 и 2020 годах, в то время как ATLAS модернизируется для запуска III в 2021 году.
ATLAS исследует множество различных типов физики, которые могут быть обнаружены в энергетических столкновениях LHC. Некоторые из них являются подтверждением или улучшенными измерениями Стандартной модели, в то время как многие другие являются возможными подсказками для новых физических теорий.
За важным исключением бозона Хиггса, обнаруженного в настоящее время с помощью экспериментов ATLAS и CMS, все частицы, предсказанные моделью, наблюдались в предыдущих экспериментах. Хотя Стандартная модель предсказывает, что кварки, электроны и нейтрино должны существовать, она не объясняет, почему массы этих частиц различаются на порядки. Из-за этого многие физики элементарных частиц считают, что Стандартная модель может разрушиться при энергиях в масштабе тераэлектронвольт (ТэВ) или выше. Если такая физика выходит за рамки Стандартной модели, новая модель, которая идентична Стандартной модели при энергиях, исследованных до сих пор, может быть разработана для описания физики элементарных частиц при более высоких энергиях. Большинство предлагаемых в настоящее время теорий предсказывают новые частицы большей массы, некоторые из которых могут быть достаточно легкими, чтобы их можно было наблюдать с помощью ATLAS.
Одной из наиболее важных целей ATLAS было исследование недостающего элемента Стандартной модели, бозона Хиггса. Механизм Хиггса, который включает бозон Хиггса, придает массу элементарным частицам, что приводит к различиям между слабой силой и электромагнетизмом, давая W и масса Z-бозонов, при этом фотон остается без массы. 4 июля 2012 года ATLAS вместе с CMS, его сестринским экспериментом на LHC, сообщил о доказательствах существования частицы, соответствующей бозону Хиггса, с уровнем достоверности 5 сигма, с массой около 125 ГэВ, что в 133 раза больше массы протона. Эта новая "хиггсовская" частица была обнаружена по ее распаду на два фотона и по распаду на четыре лептона. В марте 2013 года в свете обновленных результатов ATLAS и CMS ЦЕРН объявил, что новая частица действительно была бозоном Хиггса. Эксперименты также смогли показать, что свойства частицы, а также способы ее взаимодействия с другими частицами были хорошо согласованы со свойствами бозона Хиггса, который, как ожидается, будет иметь спин 0 и положительный четность. Анализ других свойств частицы и данные, собранные в 2015 и 2016 годах, еще раз подтвердили это. В 2013 году два физика-теоретика, предсказавшие существование бозона Хиггса Стандартной модели, Питер Хиггс и Франсуа Энглерт, были удостоены Нобелевской премии по физике.
Асимметрия между поведением материи и антиматерии, известная как нарушение CP, также исследуется. Недавние эксперименты, посвященные измерениям CP-нарушения, такие как BaBar и Belle, не обнаружили достаточного CP-нарушения в Стандартной модели, чтобы объяснить отсутствие обнаруживаемого антивещества во Вселенной. Возможно, что новые модели физики внесут дополнительное CP-нарушение, проливающее свет на эту проблему. Свидетельства, подтверждающие эти модели, могут быть обнаружены либо непосредственно путем образования новых частиц, либо косвенно путем измерения свойств B- и D- мезонов. LHCb, эксперимент LHC, посвященный B-мезонам, вероятно, лучше подходит для последнего.
Свойства волчка кварк, открытый в Фермилаб в 1995 году, до сих пор измерен только приблизительно. Обладая гораздо большей энергией и большей частотой столкновений, LHC производит огромное количество топ-кварков, что позволяет ATLAS проводить более точные измерения его массы и взаимодействия с другими частицами. Эти измерения предоставят косвенную информацию о деталях Стандартной модели с возможностью выявления несоответствий, указывающих на новую физику. Аналогичные прецизионные измерения будут выполнены для других известных частиц; например, ATLAS может в конечном итоге измерить массу бозона W вдвое точнее, чем это было достигнуто ранее.
Одной из теорий, которая является предметом многих современных исследований, является суперсимметрия. Суперсимметрия потенциально может решить ряд проблем в теоретической физике, таких как проблемы иерархии в рамках калибровочной теории, и присутствует почти во всех моделях теория струн. Модели суперсимметрии включают новые очень массивные частицы. Во многих случаях они распадаются на кварки высокой энергии и стабильные тяжелые частицы, взаимодействие которых с обычным веществом маловероятно. Стабильные частицы покидают детектор, оставляя в качестве сигнала одну или несколько высокоэнергетических кварковых струй и большое количество "missing" импульса. Другие гипотетические массивные частицы, такие как те, что в теории Калуцы – Клейна, могли бы оставить подобный след, но их открытие определенно указывало бы на то, что за пределами Стандартной модели существовала какая-то физика.
Некоторые гипотезы, основанные на модели ADD, включают большие дополнительные измерения и предсказывают, что микрочерные дыры могут быть образованы БАК. Они немедленно распадаются с помощью излучения Хокинга, производя все частицы в Стандартной модели в равных количествах и оставляя однозначную сигнатуру в детекторе ATLAS.
Детектор ATLAS имеет длину 46 метров, диаметр 25 метров и вес около 7000 тонн; он содержит около 3000 км кабеля.
На расстоянии 27 километров в окружности, Большой адронный коллайдер (LHC) сталкивает два пучка протонов вместе с каждым протоном, несущим до 6,5 ТэВ энергии - достаточно, чтобы произвести частицы с массами, значительно превышающими массы любых известных в настоящее время частиц, если эти частицы существуют. Когда пучки протонов , создаваемые Большим адронным коллайдером, взаимодействуют в центре детектора, образуется множество различных частиц с широким диапазоном энергий.
Извещатель ATLAS разработан как универсальный. ATLAS предназначен не для того, чтобы сосредоточиться на конкретном физическом процессе, а для измерения самого широкого диапазона сигналов. Это предназначено для гарантии того, что какую бы форму ни приняли какие-либо новые физические процессы или частицы, ATLAS сможет обнаруживать их и измерять 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 разработаны для общего обнаружения. 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.
Для того, чтобы идентифицировать все частицы, образующиеся в точке взаимодействия, где сталкиваются пучки частиц, детектор спроектирован слоями, состоящими из детекторов разных типов. , каждая из которых предназначена 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, присоединенные к нему детекторы должны расти, чтобы эффективно измерять и останавливать частицы с более высокими энергиями. По состоянию на 2017 год детектор ATLAS является крупнейшим из когда-либо построенных на коллайдере частиц.
Детектор ATLAS состоит из серии концентрических цилиндров все большего размера вокруг точки взаимодействия, где сталкиваются пучки протонов от LHC. Его можно разделить на четыре основные части: внутренний детектор, калориметры, мюонный спектрометр и магнитные системы. 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 выполняет дополнительные измерения мюонов с высокой проникающей способностью. Две магнитные системы изгибают заряженные частицы во внутреннем детекторе и мюонном спектрометре, позволяя измерять их импульсы.
Единственными установленными стабильными частицами, которые не могут быть обнаружены напрямую, являются нейтрино ; их присутствие определяется путем измерения дисбаланса импульсов между обнаруженными частицами. Чтобы это работало, детектор должен быть «герметичным », что означает, что он должен обнаруживать все не-нейтрино, произведенные без мертвых зон. Поддержание характеристик детектора в областях с высоким уровнем излучения, непосредственно окружающих пучки протонов, является серьезной инженерной задачей.
Внутренний детектор начинается в нескольких сантиметрах от оси протонного пучка, простирается до радиуса 1,2 метра и имеет длину 6,2 метра вдоль трубы луча. Его основная функция - отслеживать заряженные частицы, обнаруживая их взаимодействие с материалом в дискретных точках, раскрывая подробную информацию о типах частиц и их импульсе. 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 первоначального протон-протонного столкновения, это может быть признаком того, что частицы пришли в результате распада адрона с нижним кварком (см. b-теги ). Внутренний детектор состоит из трех частей, которые описаны ниже.
Пиксельный детектор, самая внутренняя часть детектора, содержит три 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 считывающих микросхем и других электронных компонентов. Наименьшая единица, которую можно прочитать, - это пиксель (50 на 400 микрометров); на каждый модуль приходится примерно 47 000 пикселей. Мельчайший размер пикселя разработан для чрезвычайно точного отслеживания в непосредственной близости от точки взаимодействия. В общей сложности Pixel Detector имеет более 80 миллионов каналов считывания, что составляет около 50% от общего числа каналов считывания всего детектора. Такое большое количество создало значительную конструкторскую и инженерную проблему. Другой проблемой было излучение, которому подвергается пиксельный детектор из-за его близости к точке взаимодействия, требуя, чтобы все компоненты были радиационно-стойкими для продолжения работы после значительного воздействия.
Полупроводниковый трекер (SCT) - средний компонент внутреннего детектора. Он аналогичен по концепции и функциям детектору пикселей, но с длинными узкими полосами, а не с маленькими пикселями, что делает возможным охват большей площади. Каждая полоска имеет размер 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.
Устройство отслеживания переходного излучения (TRT), самый внешний компонент внутреннего детектора, представляет собой комбинацию соломенного трекера и детектора переходного излучения. Детектирующими элементами являются дрейфовые трубки (соломинки), каждая диаметром четыре миллиметра и длиной до 144 сантиметров. Погрешность 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 соломка заполнена газом, который становится ионизированным при прохождении заряженной частицы. В соломинках поддерживается напряжение около -1,500 В, при этом отрицательные ионы направляются к тонкой проволоке по центру каждой строу, создавая в ней импульс (сигнал) тока. Провода с сигналами создают картину «ударов» соломинок, которая позволяет определить путь частицы. Между строу материалы с широко варьирующимися показателями преломления заставляют ультрарелятивистские заряженные частицы производить переходное излучение и оставлять гораздо более сильные сигналы в некоторых строу. Ксенон и аргон используются для увеличения количества соломок с сильными сигналами. Поскольку количество переходного излучения является наибольшим для сильно релятивистских частиц (имеющих скорость, очень близкую к скорости света ), и поскольку частицы с определенной энергией имеют более высокую скорость, тем легче они есть, пути частиц со многими очень сильными сигналами могут быть идентифицированы как принадлежащие легчайшим заряженным частицам: электронам и их античастицам, позитронам. Всего у TRT около 298 000 соломинок.
калориметр расположены вне соленоидного магнита., окружающий внутренний детектор. Их цель - измерять энергию частиц, поглощая ее. Существуют две основные калориметрические системы: внутренний электромагнитный калориметр и внешний адронный калориметр. Оба являются калориметрами для отбора проб; то есть они поглощают энергию в металле высокой плотности и периодически определяют форму образующегося ливня частиц, делая вывод об энергии исходной частицы из этого измерения.
Электромагнитный (ЭМ) калориметр поглощает энергию от частиц, которые взаимодействуют электромагнитно, включая заряженные частицы и фотоны. Он обладает высокой точностью как в отношении количества поглощенной энергии, так и в точном расположении выделяемой энергии. Угол между траекторией частицы и осью луча детектора (или, точнее, псевдобыстротой ) и ее угол в перпендикулярной плоскости измеряются с точностью примерно 0,025 радиана. Цилиндрический ЭМ-калориметр имеет электроды в форме гармошки, а энергопоглощающие материалы - свинец и нержавеющая сталь с жидким аргоном в качестве материала для отбора проб и криостат необходим вокруг электромагнитного калориметра, чтобы он оставался достаточно холодным.
Калориметр адрон поглощает энергию от частиц, которые проходят через ЭМ калориметр, но взаимодействуют посредством сильной силы ; эти частицы в основном адроны. Он менее точен как по величине энергии, так и по локализации (всего в пределах 0,1 радиана). Энергопоглощающий материал - сталь с сцинтилляционными плитками, которые измеряют выделенную энергию. Многие функции калориметра выбраны из соображений экономической эффективности; Прибор имеет большие размеры и состоит из огромного количества строительного материала: основная часть калориметра - кафельный калориметр - имеет диаметр 8 метров и покрывает 12 метров по оси луча. Дальние секции адронного калориметра содержатся внутри криостата переднего ЭМ калориметра и также используют жидкий аргон, в то время как медь и вольфрам используются в качестве поглотителей.
Мюонный спектрометр - это чрезвычайно большая система слежения, состоящая из трех частей: (1) магнитное поле, создаваемое тремя тороидальные магниты, (2) набор из 1200 камер, измеряющих с высокой пространственной точностью треки выходящих мюонов, (3) набор пусковых камер с точным временным разрешением. Протяженность этого субдетектора начинается в радиусе 4,25 м от калориметров до полного радиуса детектора (11 м). Его огромный размер необходим для точного измерения импульса мюонов, которые сначала проходят через все другие элементы детектора, прежде чем попадут в мюонный спектрометр. Он был разработан для автономного измерения импульса мюонов 100 ГэВ с точностью 3% и мюонов 1 ТэВ с точностью 10%. Было жизненно важно сделать все возможное, чтобы собрать такое большое оборудование, потому что ряд интересных физических процессов можно наблюдать только при обнаружении одного или нескольких мюонов, а также потому, что полная энергия частиц в событии не может быть измерена. если бы мюоны не учитывались. Он функционирует аналогично внутреннему детектору, при этом мюоны изогнуты так, что их импульс может быть измерен, хотя и с другой конфигурацией магнитного поля, меньшей пространственной точностью и гораздо большим объемом. Он также выполняет функцию простой идентификации мюонов - ожидается, что очень мало частиц других типов пройдет через калориметры и впоследствии оставит сигналы в мюонном спектрометре. Он имеет около миллиона каналов считывания, а его слои детекторов имеют общую площадь 12 000 квадратных метров.
Детектор ATLAS использует две большие сверхпроводящие магнитные системы для изгиба заряженных частиц, чтобы можно было измерить их импульс. Этот изгиб происходит из-за силы Лоренца, которая пропорциональна скорости. Поскольку все частицы, рожденные в столкновениях протонов LHC, движутся со скоростью, очень близкой к скорости света, сила, действующая на частицы с разными импульсами, одинакова. (В теории относительности импульс не линейно пропорционален скорости при таких скоростях.) Таким образом, частицы с большим импульсом изгибаются очень мало, в то время как частицы с низким импульсом изгибаются значительно; величина кривизны может быть определена количественно, и импульс частицы может быть определен из этого значения.
Внутренний соленоид создает магнитное поле в два тесла, окружающее внутренний детектор. Это сильное магнитное поле позволяет даже очень энергичным частицам изгибаться настолько, чтобы можно было определить их импульс, а его почти однородное направление и сила позволяют проводить очень точные измерения. Частицы с импульсами ниже примерно 400 МэВ будут изогнуты настолько сильно, что они будут многократно петлять в поле и, скорее всего, не будут измерены; однако эта энергия очень мала по сравнению с несколькими ТэВ энергии, выделяемой при каждом столкновении протонов.
Внешнее тороидальное магнитное поле создается восемью очень большими воздушными сердечниками сверхпроводящими контурами цилиндра и двумя тороидальными воздушными магнитами с торцевыми крышками, расположенными 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 чрезмерно дорогим. Он варьируется от 2 до 8 тесламетров.
Установка всех вышеперечисленных детекторов была завершена в августе 2008 года. Детекторы собрали миллионы космических лучей во время ремонта магнита, который проводился с осени 2008 по осень 2009 года, до первые столкновения протонов. Детектор работал с КПД, близким к 100%, и имел рабочие характеристики, очень близкие к проектным значениям.
Детектор ATLAS дополняется набором из четырех дополнительных детекторов в переднем область для измерения частиц под очень маленькими углами. LUCID (LUminosity Cherenkov Integrating Detector) - первый из этих детекторов, предназначенный для измерения светимости и расположенный в пещере ATLAS на расстоянии 17 м от точки взаимодействия между двумя концевыми крышками мюонов. Следующим на очереди стоит ZDC (калориметр нулевого градуса), предназначенный для измерения нейтральных частиц по оси луча и расположенный на расстоянии 140 м от IP в туннеле LHC, где два луча разделяются на отдельные лучевые трубы. AFP (Atlas Forward Proton) предназначен для маркировки дифракционных событий и расположен на 204 м и 217 м, и, наконец, ALFA (Absolute Luminosity For ATLAS) предназначен для измерения упругого рассеяния протонов, расположенного на 240 м непосредственно перед изгибающими магнитами дуги LHC.
Ранние системы считывания детекторов частиц и обнаружения событий основывались на параллельных общих шинах, таких как VMEbus или FASTBUS. Поскольку такая шинная архитектура не может удовлетворить требования детекторов LHC к данным, все предложения по системе сбора данных основываются на высокоскоростных двухточечных каналах и коммутационных сетях.
Детектор генерирует слишком много необработанных данных для считывания или сохранения всего: около 25 мегабайт на событие (необработанные; подавление нуля уменьшает это до 1,6 МБ), умноженное на 40 миллионов пересечений луча в секунду в центре детектора. Это дает в общей сложности 1 петабайт необработанных данных в секунду.
Система триггера использует быстрое восстановление событий для идентификации, в в реальном времени наиболее интересные события, которые нужно сохранить для подробного анализа. Во втором периоде сбора данных LHC, Run-2, было два различных уровня запуска:
Остальные данные, соответствующие примерно 1000 событиям в секунду, сохраняются для дальнейшего анализа.
Автономный реконструкция событий выполняется для всех постоянно сохраненных событий, превращая последовательность сигналов от детектора в физические объекты, такие как струи, фотоны и лептоны.. Грид-вычисления широко используются для реконструкции событий, что позволяет параллельное использование университетских и лабораторных компьютерных сетей по всему миру для решения интенсивной ЦП задачи по сокращению больших объемов необработанных данных в форма, подходящая для анализа физики. Программное обеспечение для этих задач разрабатывается в течение многих лет, и его усовершенствования продолжаются даже после того, как начался сбор данных.
Отдельные лица и группы в рамках сотрудничества пишут свой собственный код для проведения дальнейшего анализа этих объектов, поиска структур обнаруженных частиц для конкретных физических моделей или гипотетических частиц.
 | На Wikimedia Commons есть материалы, связанные с экспериментом ATLAS . |
