Eksperyment ATLAS - ATLAS experiment

Wielki Zderzacz Hadronów
(LHC)
LHC.svg
Eksperymenty LHC
ATLAS Toroidalny aparat LHC
CMS Kompaktowy solenoid mionowy
LHCb LHC-piękno
ALICE Eksperyment z dużym zderzaczem jonów
TOTEM Całkowity przekrój, rozproszenie sprężyste i dysocjacja dyfrakcyjna
LHCf LHC-do przodu
MoEDAL Detektor monopoli i egzotyków w LHC
FASER Eksperyment wyszukiwania do przodu
Preakceleratory LHC
p i Pb Akceleratory liniowe dla protonów (Linac 4) i ołowiu (Linac 3)
(nieoznaczony) Wzmacniacz synchrotronu protonowego
PS Synchrotron protonowy
SPS Super synchrotron protonowy

Współrzędne : 46°14′8″N 6°3′19″E / 46,23556°N 6,05528°E / 46.23556; 6,05528 ATLAS(A Toroidal LHC ApparatuS) to największy, uniwersalnyeksperyment zdetektorem cząstekwWielkim Zderzaczu Hadronów(LHC),akceleratorze cząstekwCERN(europejski Organizacji Badań Jądrowych) w Szwajcarii. Eksperyment ma na celu wykorzystanie bezprecedensowej energii dostępnej w LHC i obserwowanie zjawisk obejmujących bardzo masywnecząstki,których nie można było zaobserwować przy użyciu wcześniejszychakceleratorów oniższejenergii. ATLAS była jednym z dwóch eksperymentów LHC biorących udział w odkryciubozonu Higgsaw lipcu 2012 roku został również zaprojektowany, aby szukać dowodówteoriiofizyce cząstekpozaModel Standardowy.

Eksperyment jest wynikiem współpracy około 3000 fizyków ze 183 instytucji w 38 krajach. Projekt był prowadzony przez pierwsze 15 lat przez Petera Jenni , w latach 2009-2013 kierował Fabiola Gianotti , od 2013 do 2017 David Charlton i Karl Jakobs od 2017 do 2021. Współpracą ATLAS kieruje obecnie rzecznik prasowy Andreas Hoecker i Zastępcy Rzeczników Marumi Kado i Manuella Vincter .

Historia

Wzrost akceleratora cząstek

Detektor ATLAS budowany w październiku 2004 w wyrobisku doświadczalnym. Budowa została zakończona w 2008 r., a ATLAS z powodzeniem zbiera dane od listopada 2009 r., kiedy to w LHC rozpoczęła się eksploatacja belki zderzającej. Zwróć uwagę na ludzi w tle, aby porównać rozmiar.

Pierwszy cyklotron , wczesny typ akceleratora cząstek, został zbudowany przez Ernesta O. Lawrence'a w 1931 r., o promieniu zaledwie kilku centymetrów i energii cząstki 1 megaelektronowolta (MeV) . Od tego czasu akceleratory ogromnie się rozrosły w dążeniu do wytwarzania nowych cząstek o coraz większej masie . Wraz ze wzrostem liczby akceleratorów rośnie też lista znanych cząstek , które mogą być wykorzystane do badania.

Współpraca ATLAS

Andreas Hoecker, kierownik projektu (2021-2023)

ATLAS Collaboration , grupa fizyków, którzy budowali i uruchomić detektor, została utworzona w 1992 roku, kiedy zaproponowano EAGLE (Eksperyment dla dokładnego Gamma, LEPTON i Energetyki Pomiarów) i ASCOT (Aparatura z Super Prowadzenie Toroidy) współpraca połączyły swoje wysiłki, aby zbudować pojedynczy, uniwersalny detektor cząstek dla Wielkiego Zderzacza Hadronów.

Projekt i budowa detektora

Projekt był połączeniem dwóch poprzednich eksperymentów, a także skorzystał z badań i prac rozwojowych nad detektorem, które przeprowadzono dla Superconducting Super Collider . Eksperyment ATLAS został zaproponowany w obecnej formie w 1994 roku, a oficjalnie sfinansowany przez kraje członkowskie CERN w 1995 roku. W kolejnych latach dołączyły kolejne kraje, uniwersytety i laboratoria . Prace budowlane rozpoczęły się w poszczególnych instytucjach, a komponenty detektora były następnie wysyłane do CERN i montowane w wyrobisku doświadczalnym ATLAS od 2003 roku.

Działanie detektora

Budowa została ukończona w 2008 roku, a eksperyment wykrył pierwsze pojedyncze zdarzenia wiązki 10 września tego roku. Zbieranie danych zostało następnie przerwane na ponad rok z powodu incydentu z gaszeniem magnesu w LHC . 23 listopada 2009 r. w LHC doszło do pierwszych zderzeń proton-proton, które zostały zarejestrowane przez ATLAS przy stosunkowo niskiej energii wtrysku 450 GeV na wiązkę. Od tego czasu energia LHC rosła: 900 GeV na wiązkę pod koniec 2009 r., 3500 GeV na cały 2010 i 2011 r., a następnie 4000 GeV na wiązkę w 2012 r. Pierwszy okres zbierania danych w latach 2010-2012 to określany jako Run I. Po długim postoju (LS1) w latach 2013 i 2014, w 2015 ATLAS zobaczył 6500 GeV na belkę. Drugi okres zbierania danych, Run II, zakończył się pod koniec 2018 r. z zarejestrowaną jasnością zintegrowaną prawie 140/fb. Po drugim długim przestoju (LS2) w 2019 i 2020 roku nastąpiła modernizacja ATLAS do Run III w 2021 roku.

Program eksperymentalny

Schematy, zwane diagramami Feynmana, pokazują główne sposoby wytwarzania bozonu Higgsa Modelu Standardowego ze zderzeń protonów w LHC.

ATLAS bada wiele różnych rodzajów fizyki, które mogą stać się wykrywalne w energetycznych zderzeniach LHC. Niektóre z nich są potwierdzeniami lub ulepszonymi pomiarami Modelu Standardowego , podczas gdy wiele innych jest możliwymi wskazówkami dla nowych teorii fizycznych.

Model standardowy i poza nim

Z ważnym wyjątkiem bozonu Higgsa , wykrytego obecnie przez eksperymenty ATLAS i CMS , wszystkie cząstki przewidywane przez model były obserwowane w poprzednich eksperymentach. Chociaż Model Standardowy przewiduje istnienie kwarków, elektronów i neutrin, nie wyjaśnia, dlaczego masy tych cząstek różnią się o rzędy wielkości. Z tego powodu wielu fizyków cząstek uważa, że ​​możliwe jest, że Model Standardowy rozpadnie się przy energiach rzędu teraelektronowoltów (TeV) lub wyższych. Jeśli zaobserwuje się fizykę wykraczającą poza Model Standardowy, można opracować nowy model, który jest identyczny z Modelem Standardowym przy dotychczas badanych energiach, aby opisać fizykę cząstek przy wyższych energiach. Większość obecnie proponowanych teorii przewiduje nowe cząstki o większej masie, z których niektóre mogą być wystarczająco lekkie, aby mogły być obserwowane przez ATLAS.

bozon Higgsa

Jednym z najważniejszych celów ATLAS było zbadanie brakującego elementu Modelu Standardowego, bozonu Higgsa . Mechanizm Higgs , który obejmuje bozon Higgs daje masę cząstek elementarnych, co prowadzi do różnic między słabych i elektromagnetyzmu dając W i Z Bozony masy pozostawiając fotonów bez masy. 4 lipca 2012 r. ATLAS — wraz z CMS, siostrzanym eksperymentem w LHC — przedstawił dowody na istnienie cząstki zgodnej z bozonem Higgsa na poziomie ufności 5 sigma , o masie około 125 GeV, czyli 133 razy masa protonu. Ta nowa cząstka „podobna do Higgsa” została wykryta przez jej rozpad na dwa fotony i rozpad na cztery leptony . W marcu 2013 r., w świetle zaktualizowanych wyników ATLAS i CMS, CERN ogłosił, że nowa cząstka rzeczywiście jest bozonem Higgsa. Eksperymenty były również w stanie wykazać, że właściwości cząstki oraz sposoby jej interakcji z innymi cząstkami były dobrze dopasowane do właściwości bozonu Higgsa, który ma mieć spin 0 i dodatnią parzystość . Analiza większej liczby właściwości cząstki i dane zebrane w 2015 i 2016 roku potwierdziły to dalej. W 2013 roku dwóch fizyków teoretycznych, którzy przewidzieli istnienie bozonu Higgsa Modelu Standardowego, Peter Higgs i François Englert , otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki .

naruszenie CP

Badana jest również asymetria między zachowaniem materii i antymaterii , znana jako naruszenie CP . Ostatnie eksperymenty poświęcone pomiarom naruszenia CP, takie jak BaBar i Belle , nie wykryły wystarczającego naruszenia CP w Modelu Standardowym, aby wyjaśnić brak wykrywalnej antymaterii we wszechświecie. Możliwe, że nowe modele fizyki wprowadzą dodatkowe naruszenie CP, rzucając światło na ten problem. Dowody potwierdzające te modele mogą być wykryte bezpośrednio poprzez produkcję nowych cząstek lub pośrednio poprzez pomiary właściwości mezonów B- i D- . LHCb , eksperyment LHC poświęcony mezonom B, prawdopodobnie lepiej nadaje się do tego ostatniego.

Najlepsze właściwości kwarków

Właściwości kwarka górnego , odkrytego w Fermilabie w 1995 roku, zostały do ​​tej pory zmierzone tylko w przybliżeniu. Przy znacznie większej energii i większej częstości zderzeń LHC wytwarza ogromną liczbę górnych kwarków, co pozwala ATLAS na znacznie dokładniejsze pomiary jego masy i interakcji z innymi cząstkami. Pomiary te dostarczą pośrednich informacji o szczegółach Modelu Standardowego, z możliwością ujawnienia niespójności, które wskazują na nową fizykę. Podobne precyzyjne pomiary zostaną wykonane dla innych znanych cząstek; na przykład ATLAS może ostatecznie zmierzyć masę bozonu W dwukrotnie dokładniej niż wcześniej.

Supersymetria

Jedną z teorii, która jest przedmiotem wielu aktualnych badań, jest supersymetria . Supersymetria może potencjalnie rozwiązać wiele problemów fizyki teoretycznej , takich jak problemy hierarchii w teorii cechowania , i jest obecna w prawie wszystkich modelach teorii strun . Modele supersymetrii obejmują nowe, bardzo masywne cząstki. W wielu przypadkach rozpadają się one na wysokoenergetyczne kwarki i stabilne ciężkie cząstki, które najprawdopodobniej nie będą oddziaływać ze zwykłą materią. Stabilne cząstki uciekłyby z detektora, pozostawiając jako sygnał jeden lub więcej wysokoenergetycznych dżetów kwarkowych i dużą ilość „brakującego” pędu . Inne hipotetyczne masywne cząstki, takie jak te w teorii Kaluzy-Kleina , mogą pozostawić podobną sygnaturę, ale ich odkrycie z pewnością wskazywałoby, że poza Modelem Standardowym istnieje jakiś rodzaj fizyki.

Mikroskopijne czarne dziury

Niektóre hipotezy, oparte na modelu ADD , dotyczą dużych dodatkowych wymiarów i przewidują, że LHC może tworzyć mikroczarne dziury . Rozpadłyby się one natychmiast za pomocą promieniowania Hawkinga , wytwarzając wszystkie cząstki w Modelu Standardowym w równych ilościach i pozostawiając jednoznaczną sygnaturę w detektorze ATLAS.

detektor ATLAS

Detektor ATLAS ma 46 metrów długości, 25 metrów średnicy i waży około 7000 ton; zawiera około 3000 km kabla.

W 27 kilometrów obwodu The Duża hadronów High Speed (LHC) zderza się z dwóch wiązek protonów razem ze sobą protonowej przenoszenia do 6,5  TeV energii - wystarczy cząstek produkt z mas znacznie większe od cząstek obecnie wiadomo, czy istnieje te cząstki. Kiedy wiązki protonów wytwarzane przez Wielki Zderzacz Hadronów wchodzą w interakcję w centrum detektora, powstaje wiele różnych cząstek o szerokim zakresie energii.

Wymagania ogólnego przeznaczenia

Czujka ATLAS jest przeznaczona do użytku ogólnego. Zamiast skupiać się na konkretnym procesie fizycznym, ATLAS został zaprojektowany do pomiaru możliwie najszerszego zakresu sygnałów. Ma to na celu zapewnienie, że niezależnie od formy, jaką przyjmą jakiekolwiek nowe procesy fizyczne lub cząstki, ATLAS będzie w stanie je wykryć i zmierzyć ich właściwości. ATLAS jest przeznaczony do wykrywania tych cząstek, a mianowicie ich mas, pędów , energii , czasu życia, ładunków i spinów jądrowych .

Eksperymenty na wcześniejszych zderzaczach, takich jak Tevatron i Large Electron-Positron Collider , zostały również zaprojektowane do wykrywania ogólnego przeznaczenia. Jednak energia wiązki i ekstremalnie wysoka częstotliwość zderzeń wymagają, aby ATLAS był znacznie większy i bardziej złożony niż poprzednie eksperymenty, co stawia wyjątkowe wyzwania Wielkiego Zderzacza Hadronów.

Warstwowa konstrukcja

W celu identyfikacji wszystkich cząstek wytwarzanych w punkcie oddziaływania, w którym zderzają się wiązki cząstek, detektor jest skonstruowany w warstwach złożonych z detektorów różnych typów, z których każdy jest przeznaczony do obserwacji określonych rodzajów cząstek. Różne ślady, jakie cząstki pozostawiają w każdej warstwie detektora, pozwalają na skuteczną identyfikację cząstek oraz dokładne pomiary energii i pędu. (Rola każdej warstwy w detektorze jest omówiona poniżej .) Wraz ze wzrostem energii cząstek wytwarzanych przez akcelerator, dołączone do niego detektory muszą rosnąć, aby skutecznie mierzyć i zatrzymywać cząstki o wyższych energiach. Od 2017 roku detektor ATLAS jest największym, jaki kiedykolwiek zbudowano w zderzaczu cząstek.

składniki

Wygenerowany komputerowo widok przekrojowy detektora ATLAS przedstawiający jego różne elementy
(1) Układ magnetyczny detektorów      mionowych : (2) Magnesy toroidalne      (3) Wewnętrzny detektor magnesu solenoidowego :      (4) Śledzenie promieniowania przejścia      (5) Śledzenie półprzewodników      (6 ) Kalorymetry z detektorem pikseli :      (7) Kalorymetr z ciekłym argonem      (8) Kalorymetr kafelkowy









Detektor ATLAS składa się z serii coraz większych koncentrycznych cylindrów wokół punktu interakcji, w którym zderzają się wiązki protonów z LHC. Można go podzielić na cztery główne części: detektor wewnętrzny, kalorymetry, spektrometr mionowy i systemy magnetyczne. Każdy z nich składa się z kolei z wielu warstw. Detektory są komplementarne: Inner Detector precyzyjnie śledzi cząstki, kalorymetry mierzą energię łatwo zatrzymywanych cząstek, a system mionowy wykonuje dodatkowe pomiary silnie penetrujących mionów. Dwa systemy magnesów zaginają naładowane cząstki w Detektorze Wewnętrznym i Spektrometrze Mionowym, umożliwiając pomiar ich pędu .

Jedyne ustalone stabilne cząstki, których nie można wykryć bezpośrednio, to neutrina ; ich obecność jest wywnioskowana przez pomiar nierównowagi pędu wśród wykrytych cząstek. Aby to zadziałało, detektor musi być „ hermetyczny ”, co oznacza, że ​​musi wykrywać wszystkie wyprodukowane nieneutrina, bez martwych punktów. Utrzymanie wydajności detektora w obszarach wysokiego promieniowania bezpośrednio otaczających wiązki protonów jest poważnym wyzwaniem inżynieryjnym.

Wewnętrzny detektor

ATLAS TRT (Transition Radiation Tracker) centralna sekcja, najbardziej zewnętrzna część detektora Wewnętrznej, montowane nad ziemią i biorąc dane z promieni kosmicznych we wrześniu 2005 roku.

Wewnętrzny detektor zaczyna się kilka centymetrów od osi wiązki protonów, rozciąga się w promieniu 1,2 metra i ma długość 6,2 metra wzdłuż rury wiązki. Jego podstawową funkcją jest śledzenie naładowanych cząstek poprzez wykrywanie ich interakcji z materią w dyskretnych punktach, ujawniając szczegółowe informacje na temat rodzajów cząstek i ich pędu. Pole magnetyczne otaczające cały wewnętrzny detektor powoduje zakrzywienie naładowanych cząstek; kierunek krzywej ujawnia ładunek cząstki, a stopień krzywizny ujawnia jej pęd. Punkty początkowe ścieżek dostarczają przydatnych informacji do identyfikacji cząstek ; na przykład, jeśli grupa torów wydaje się pochodzić z innego punktu niż pierwotne zderzenie proton-proton, może to świadczyć o tym, że cząstki pochodzą z rozpadu hadronu z kwarkiem dolnym (patrz znakowanie b ). Detektor wewnętrzny składa się z trzech części, które wyjaśniono poniżej.

Detektor pikseli, najbardziej wewnętrzna część detektora, zawiera trzy koncentryczne warstwy i trzy dyski na każdej nasadce końcowej, w sumie 1744 modułów , z których każdy ma wymiary 2 na 6 centymetrów. Materiałem wykrywającym jest krzem o grubości 250 µm . Każdy moduł zawiera 16 chipów odczytowych i inne elementy elektroniczne. Najmniejszą jednostką, jaką można odczytać, jest piksel (50 na 400 mikrometrów); na moduł przypada około 47 000 pikseli. Minimalny rozmiar piksela jest przeznaczony do niezwykle precyzyjnego śledzenia bardzo blisko punktu interakcji. W sumie Pixel Detector ma ponad 80 milionów kanałów odczytu, co stanowi około 50% wszystkich kanałów odczytu całego detektora. Tak duża liczba stworzyła niemałe wyzwanie projektowe i inżynierskie. Kolejnym wyzwaniem było promieniowanie, na które narażony jest detektor pikseli ze względu na jego bliskość do punktu interakcji, co wymaga, aby wszystkie elementy były odporne na promieniowanie, aby mogły dalej działać po znacznych ekspozycjach.

Semi-Conductor Tracker (SCT) to środkowy element detektora wewnętrznego. Jest podobny w koncepcji i funkcji do Pixel Detector, ale z długimi, wąskimi paskami zamiast małych pikseli, dzięki czemu pokrycie większego obszaru jest praktyczne. Każdy pasek ma wymiary 80 mikrometrów na 12 centymetrów. SCT jest najbardziej krytyczną częścią wewnętrznego detektora do podstawowego śledzenia w płaszczyźnie prostopadłej do wiązki, ponieważ mierzy cząstki na znacznie większym obszarze niż detektor pikseli, z większą liczbą próbkowanych punktów i mniej więcej taką samą (choć jednowymiarową) dokładnością . Składa się z czterech podwójnych warstw pasków krzemu i ma 6,3 miliona kanałów odczytu i łączną powierzchnię 61 metrów kwadratowych.

Transition Radiation Tracker (TRT), najbardziej zewnętrzny element wewnętrznego detektora, jest kombinacją śledzenia słomy i detektora promieniowania przejścia . Elementami detekcyjnymi są rurki dryfujące (słomki), każda o średnicy czterech milimetrów i długości do 144 centymetrów. Niepewność pomiarów pozycji toru (rozdzielczość pozycji) wynosi około 200 mikrometrów. Nie jest to tak dokładne, jak w przypadku pozostałych dwóch detektorów, ale konieczne było zmniejszenie kosztów pokrycia większej objętości i umożliwienie wykrywania promieniowania przejścia. Każda słomka jest wypełniona gazem, który ulega jonizacji, gdy przechodzi przez nią naładowana cząsteczka. Słomki są utrzymywane przy około -1500 V, kierując jony ujemne do cienkiego drutu w dół środka każdej słomki, wytwarzając impuls prądu (sygnał) w drucie. Druty z sygnałami tworzą wzór „uderzonych” słomek, które pozwalają określić drogę cząstki. Pomiędzy słomkami materiały o bardzo różnych współczynnikach załamania powodują, że ultrarelatywistyczne naładowane cząstki wytwarzają promieniowanie przejściowe i pozostawiają znacznie silniejsze sygnały w niektórych słomkach. Gazy ksenonowe i argonowe służą do zwiększenia liczby słomek o silnych sygnałach. Ponieważ ilość promieniowania przejścia jest największa dla wysoce relatywistycznych cząstek (tych o prędkości bardzo zbliżonej do prędkości światła ) oraz ponieważ cząstki o określonej energii mają większą prędkość im są lżejsze, ścieżki cząstek z wieloma bardzo silnymi sygnałami mogą być zidentyfikowane jako należące do najlżejszych cząstek naładowanych: elektrony i ich antycząstki, pozytony . TRT ma łącznie około 298 000 słomek.

Kalorymetry

Wrzesień 2005: Sekcja lufy głównej kalorymetru hadronowego ATLAS czeka na przeniesienie wewnątrz magnesów toroidalnych.
Jedna z sekcji rozszerzenia kalorymetru hadronowego , oczekująca na włożenie pod koniec lutego 2006 roku.
Przedłużona sekcja lufy kalorymetru hadronowego.

W kalorymetry są położone poza solenoidalne magnes , który otacza Detector Wewnętrzna. Ich celem jest pomiar energii z cząstek poprzez jej pochłanianie. Istnieją dwa podstawowe systemy kalorymetru: wewnętrzny kalorymetr elektromagnetyczny i zewnętrzny kalorymetr hadronowy . Oba są kalorymetrami do pobierania próbek ; to znaczy, pochłaniają one energię w metalach o dużej gęstości i okresowo próbkują kształt powstałego pęku cząstek , wywnioskując energię pierwotnej cząstki z tego pomiaru.

Kalorymetr elektromagnetyczny (EM) pochłania energię z cząstek oddziałujących elektromagnetycznie , w tym z naładowanych cząstek i fotonów. Charakteryzuje się dużą precyzją, zarówno w ilości pochłoniętej energii, jak i w dokładnym umiejscowieniu zdeponowanej energii. Kąt między trajektorią cząstki a osią wiązki detektora (a dokładniej pseudoszybkość ) oraz jej kąt w płaszczyźnie prostopadłej są mierzone z dokładnością do około 0,025  radianów . Kalorymetr beczkowy EM ma elektrody w kształcie akordeonu, a materiałami pochłaniającymi energię są ołów i stal nierdzewna , z ciekłym argonem jako materiałem do pobierania próbek, a wokół kalorymetru EM wymagany jest kriostat, aby był wystarczająco chłodny.

Hadronów kalorymetr absorbuje energię z cząstek, które przechodzą przez kalorymetru EM, ale oddziałują za pomocą dużej siły ; te cząstki to przede wszystkim hadrony. Jest mniej precyzyjny, zarówno pod względem wielkości energii, jak i lokalizacji (tylko w zakresie około 0,1 radiana). Materiałem pochłaniającym energię jest stal, z błyszczącymi płytkami, które próbują zdeponowaną energię. Wiele funkcji kalorymetru wybrano ze względu na ich opłacalność; przyrząd jest duży i składa się z ogromnej ilości materiału konstrukcyjnego: główna część kalorymetru – kalorymetr kafelkowy – ma średnicę 8 metrów i obejmuje 12 metrów wzdłuż osi belki. Skrajnie wysunięte do przodu sekcje kalorymetru hadronowego są zawarte w kriostacie przedniego kalorymetru EM i również wykorzystują ciekły argon, podczas gdy miedź i wolfram są wykorzystywane jako absorbery.

Spektrometr mionowy

Muon Spektrometr jest bardzo duży system śledzenia, składający się z trzech części: (1) pola magnetycznego zapewnia trzech magnesów pierścieniowych (2) zestaw 1200 komór pomiarowych o wysokiej dokładności przestrzennej szynach wychodzących miony (3) zestaw komór wyzwalających z dokładną rozdzielczością czasową. Zasięg tego subdetektora zaczyna się w promieniu 4,25 m w pobliżu kalorymetrów aż do pełnego promienia detektora (11 m). Jego ogromne rozmiary są niezbędne do dokładnego pomiaru pędu mionów, które najpierw przechodzą przez wszystkie pozostałe elementy detektora, zanim dotrą do spektrometru mionów. Został zaprojektowany do samodzielnego pomiaru pędu mionów 100 GeV z dokładnością 3% oraz mionów 1 TeV z dokładnością 10%. Niezbędne było złożenie tak dużego urządzenia, ponieważ wiele interesujących procesów fizycznych można zaobserwować tylko wtedy, gdy wykryty zostanie jeden lub więcej mionów, a całkowita energia cząstek w zdarzeniu nie może być zmierzona. gdyby miony zostały zignorowane. Działa podobnie do Detektora Wewnętrznego, z mionami zakrzywionymi tak, że można zmierzyć ich pęd, aczkolwiek przy innej konfiguracji pola magnetycznego , mniejszej dokładności przestrzennej i znacznie większej objętości. Służy również do prostej identyfikacji mionów – oczekuje się, że bardzo niewiele cząstek innego typu przejdzie przez kalorymetry, a następnie pozostawi sygnały w spektrometrze mionowym. Ma około miliona kanałów odczytu, a jego warstwy detektorów mają łączną powierzchnię 12 000 metrów kwadratowych.

System magnetyczny

Końce czterech z ośmiu magnesów toroidalnych ATLAS, spoglądających z wysokości około 90 metrów, we wrześniu 2005 r.
Osiem magnesów toroidalnych detektora ATLAS

Detektor ATLAS wykorzystuje dwa duże systemy magnesów nadprzewodzących do zginania naładowanych cząstek, aby można było zmierzyć ich pęd. To zginanie jest spowodowane siłą Lorentza , która jest proporcjonalna do prędkości. Ponieważ wszystkie cząstki powstałe w zderzeniach protonów w LHC poruszają się z prędkością bardzo bliską prędkości światła, siła działająca na cząstki o różnych pędach jest taka sama. (W teorii względności pęd nie jest liniowo proporcjonalny do prędkości przy takich prędkościach.) Tak więc cząstki o dużym pędzie krzywią się bardzo mało, podczas gdy cząstki o małym pędzie krzywią się znacznie; wielkość krzywizny można określić ilościowo, a pęd cząstki można określić na podstawie tej wartości.

Wewnętrzny solenoid wytwarza pole magnetyczne o wartości dwóch tesli otaczające wewnętrzny detektor. To silne pole magnetyczne umożliwia nawet bardzo energetycznym cząsteczkom zakrzywienie wystarczające do określenia ich pędu, a jego prawie jednolity kierunek i siła umożliwiają bardzo precyzyjne pomiary. Cząstki o pędach poniżej około 400 MeV będą zakrzywione tak mocno, że będą się powtarzać w polu i najprawdopodobniej nie będą mierzone; jednak energia ta jest bardzo mała w porównaniu do kilku TeV energii uwalnianej w każdym zderzeniu protonów.

Zewnętrzne toroidalne pole magnetyczne jest wytwarzane przez osiem bardzo dużych nadprzewodzących pętli beczkowych z rdzeniem powietrznym i dwa toroidalne magnesy powietrzne nasadkowe, wszystkie umieszczone poza kalorymetrami iw układzie mionowym. To pole magnetyczne rozciąga się na obszarze o długości 26 metrów i średnicy 20 metrów i przechowuje 1,6  gigadżuli energii. Jego pole magnetyczne nie jest jednorodne, ponieważ magnes elektromagnetyczny o wystarczającej wielkości byłby zbyt kosztowny w budowie. Waha się od 2 do 8 teslametrów.

Wydajność detektora

Instalacja wszystkich powyższych detektorów została zakończona w sierpniu 2008 roku. Detektory zebrały miliony promieni kosmicznych podczas naprawy magnesu, która miała miejsce między jesienią 2008 a jesienią 2009 roku, przed pierwszymi zderzeniami protonów. Detektor działał z wydajnością bliską 100% i zapewniał charakterystykę działania bardzo zbliżoną do wartości projektowych.

Detektory do przodu

Detektor ATLAS jest uzupełniony zestawem czterech poddetektorów w przednim obszarze do pomiaru cząstek pod bardzo małymi kątami. LUCID (LUminosity Cherenkov Integrating Detector) jest pierwszym z tych detektorów zaprojektowanych do pomiaru jasności i znajduje się w jaskini ATLAS w odległości 17 m od punktu interakcji między dwoma nasadkami mionowymi. Następny w kolejce jest ZDC (Kalorymetr Zero Stopni) przeznaczony do pomiaru neutralnych cząstek na osi wiązki i umieszczony w odległości 140 m od IP w tunelu LHC, gdzie dwie wiązki są dzielone z powrotem na oddzielne rury wiązki. AFP (Atlas Forward Proton) jest przeznaczony do oznaczania zdarzeń dyfrakcyjnych i znajduje się na 204m i 217m, a ALFA (Absolute Luminosity For ATLAS) jest przeznaczony do pomiaru elastycznego rozpraszania protonów zlokalizowanego na 240m tuż przed zginającymi się magnesami łuku LHC.

Systemy danych

Wymagania

Wcześniej detektor cząstek odczyt i systemy wykrywania zdarzeń były oparte na równoległych wspólne autobusów, takich jak VMEbus lub FASTBUS . Ponieważ taka architektura magistrali nie jest w stanie sprostać wymaganiom detektorów LHC dotyczących danych, wszystkie propozycje systemów akwizycji danych opierają się na szybkich łączach punkt-punkt i sieciach przełączających.

Generowanie danych

Detektor generuje zbyt dużo nieprzetworzonych danych, aby wszystko odczytać lub zapisać: około 25 megabajtów na zdarzenie (surowe; pominięcie zera zmniejsza to do 1,6 MB), pomnożone przez 40 milionów przejść wiązek na sekundę w środku detektora. Daje to łącznie 1 petabajt surowych danych na sekundę.

System wyzwalania

System wyzwalania wykorzystuje szybką rekonstrukcję zdarzeń do identyfikowania w czasie rzeczywistym najciekawszych zdarzeń, które mają zostać zachowane do szczegółowej analizy. W drugim okresie zbierania danych przez LHC, Run-2, istniały dwa różne poziomy wyzwalania:

  • Wyzwalacz poziomu 1, zaimplementowany w niestandardowym sprzęcie w miejscu detektora. Wykorzystuje informacje o zmniejszonej granulacji z kalorymetrów i spektrometru mionowego oraz zmniejsza częstotliwość zdarzeń w odczycie do 100 kHz.
  • Wyzwalacz wysokiego poziomu (HLT), zaimplementowany w oprogramowaniu i wykorzystuje ograniczone regiony detektora, tak zwane regiony zainteresowania (RoI), do rekonstrukcji z pełną szczegółowością detektora, w tym śledzenie, i umożliwia dopasowanie depozytów energii do śladów. Po tym kroku częstotliwość zdarzeń zostaje zmniejszona do 1 kHz.

Pozostałe dane, odpowiadające około 1000 zdarzeniom na sekundę, są przechowywane do dalszej analizy.

Analiza

Rekonstrukcja zdarzeń offline jest wykonywana na wszystkich trwale zapisanych zdarzeniach, zamieniając wzór sygnałów z detektora na obiekty fizyczne, takie jak dżety , fotony i leptony . Przetwarzanie siatkowe jest szeroko stosowane do rekonstrukcji zdarzeń, umożliwiając równoległe wykorzystanie uniwersyteckich i laboratoryjnych sieci komputerowych na całym świecie do intensywnego zadania CPU polegającego na redukcji dużych ilości surowych danych do postaci odpowiedniej do analizy fizycznej. Oprogramowanie do tych zadań jest w trakcie opracowywania przez wiele lat, i udoskonalenia są w toku, nawet po rozpoczęciu zbierania danych.

Jednostki i grupy w ramach współpracy piszą własny kod, aby przeprowadzić dalszą analizę tych obiektów, przeszukując wzorce wykrytych cząstek w celu znalezienia konkretnych modeli fizycznych lub hipotetycznych cząstek.

Drobnostki

Badaczem przedstawionym dla skali na słynnym obrazie detektora ATLAS jest Roger Ruber, naukowiec z Uniwersytetu w Uppsali w Szwecji. Ruber, jeden z badaczy odpowiedzialnych za centralny magnes kriostatu detektora ATLAS, badał magnesy w tunelu LHC w tym samym czasie, kiedy fotograf Maximilien Brice przygotowywał się do sfotografowania detektora ATLAS. Brice poprosił Rubera, aby stanął u podstawy detektora, aby zilustrować skalę detektora ATLAS. Zostało to ujawnione przez Maximiliena Brice'a i potwierdzone przez Rogera Rubera podczas wywiadów z Rebeccą Smethurst z Uniwersytetu Oksfordzkiego w 2020 roku .

Bibliografia

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne