Эксперимент ATLAS

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Логотип эксперимента ATLAS.

ATLAS (от англ. A Toroidal LHC ApparatuS) — один из четырех основных экспериментов на коллайдере LHC в европейской организации ядерных исследований CERN в городе Женева (Швейцария). Эксперимент будет проводиться на одноимённом детекторе, предназначенном для исследования протон-протонных столкновений. Другие эксперименты на коллайдере LHC — ALICE, CMS, TOTEM, LHCb и LHCf. Размеры детектора ATLAS: длина — 46 метров, диаметр — 25 метров, общий вес — около 7000 тонн. В проекте участвуют около 2000 ученых и инженеров из 165 лабораторий и университетов из 35 стран, в том числе и из России.^[1] Эксперимент предназначен для поиска сверхтяжелых элементарных частиц, таких как бозон Хиггса и суперсимметричные партнеры частиц Стандартной Модели. Физики считают, что эксперименты на детекторах ATLAS и CMS могут пролить свет на физику за рамками Стандартной Модели.

Коллаборация ATLAS, то есть группа физиков, строящих детектор и проводящих на нем эксперименты, была создана в 1992 году, когда два экспериментальных проекта для программы исследований на LHC, EAGLE (Experiment for Accurate Gamma, Lepton and Energy Measurements) и ASCOT (Apparatus with Super COnducting Toroids) объединили усилия и начали проектировать единый детектор общего назначения.^[2] Дизайн нового аппарата базировался на основе наработок обеих коллабораций, а также команд, пришедших из проекта коллайдера SSC в США, закрытого в 1993 году. Эксперимент ATLAS в его нынешнем состоянии был предложен в 1994 году и официально одобрен руководством CERN в 1995 году. За время, прошедшее с момента создания коллаборации, все новые и новые группы физиков из разных университетов и стран присоединяются к коллаборации, и в настоящее время коллаборация ATLAS — одно из самых больших официальных сообществ в физике элементарных частиц. Сборка детектора ATLAS на подземной площадке в CERN началась в 2003 году после остановки предыдущего ускорителя LEP.

ATLAS разрабатывался как многоцелевой детектор. Когда создаваемые Большим Адронным Коллайдером встречные протонные пучки сталкиваются в центре детектора, возникают различные частицы с широким спектром энергий. Вместо того, чтобы сосредотачиваться на специфическом физическом процессе, ATLAS разработан для измерения самого широкого диапазона сигналов от рождения и распада частиц. Это гарантирует, что, независимо от формы, которую могли бы принять любые новые физические процессы или частицы, ATLAS будет в состоянии обнаружить их и измерить их свойства. Эксперименты на ранних коллайдерах, вроде Тэватрона или большого электрон-позитронного коллайдера LEP, были основаны на сходных идеях. Однако уникальность Большого Адронного Коллайдера — беспрецедентные энергии и чрезвычайно высокая частота столкновений — делает ATLAS больше и сложнее построенных до сих пор детекторов.

[править] История

Детектор ATLAS во время сборки в октябре 2004 году на подземной площадке; настоящее состояние детектора можно увидеть здесь.

Первый ускоритель элементарных частиц — циклотрон — был построен американским физиком Эрнстом Лоуренсом в 1931 году, имел радиус всего несколько сантиметров и ускорял протоны до энергии 1 МэВ. С тех пор размеры ускорителей выросли до колоссальных размеров, так как бо́льшая энергия ускорения требует бо́льших линейных размеров ускорителя. А большая энергия столкновений требуется для рождения всё более тяжелых частиц. На сегодняшний день наиболее полную физическую теорию, описывающую все явления в которых участвуют элементарные частицы, называют Стандартной Моделью физики элементарных частиц. За единственным исключением (бозон Хиггса) все частицы Стандартной Модели наблюдались экспериментально. Гипотетический (на сегодняшний день) бозон Хиггса необходим в Стандартной Модели для объяснения массивности частиц (см. механизм Хиггса), так как точная калибровочная симметрия, на основе которой построена эта теория, налагает условие безмассовости всех частиц. Большинство физиков, работающих в данной области, считают, что сам бозон Хиггса не может быть тяжелее, чем несколько сотен ГэВ и что на энергетическом масштабе около 1 ТэВ Стандартная Модель должна нарушаться и давать неверные предсказания (эту гипотезу называют условием естественности). Ту физику, которая может проявиться на этом масштабе, обычно называют «физикой за пределами стандартной модели» (англ. Beyond the Standard Model physics). Коллайдер LHC строится для поиска и исследования свойств бозона Хиггса и поиска новых явлений в физике на масштабе порядка 1 ТэВ. Бо́льшая часть предлагаемых теоретиками моделей новой физики предсказывает существование очень тяжелых частиц с массой в сотни ГэВ или несколько ТэВ (для сравнения, масса протона — порядка 1 ГэВ). В туннеле длиной 27 километров будут сталкиваться два пучка протонов, и каждый из протонов будет иметь энергию 7 ТэВ. Благодаря этой колоссальной энергии смогут родиться тяжелые частицы, которые существовали в природе только в первые микросекунды после Большого Взрыва.

Для наблюдения частиц, рожденных на ускорителях, необходимы детекторы элементарных частиц. В то время как интересные явления могут произойти, когда протоны сталкиваются, недостаточно произвести их. Датчики частиц должны быть построены, чтобы обнаружить частицы, измерить их массы, импульсы, энергии и заряды, определить их спины. Чтобы идентифицировать все частицы, рожденные в области взаимодействия пучков частиц, детекторы частиц обычно располагаются в несколько слоёв. Слои составлены из датчиков различных типов, каждый из которых специализирован на определенных типах измерений. Различные особенности, которые оставляют частицы в каждом слое детектора, используются для эффективной идентификации частиц и точных измерений энергии и импульса (роль каждого слоя в датчике обсуждена ниже). По мере того как растёт энергия частиц, рождённых на ускорителе большего размера, должны увеличиваться и размеры детекторов для того, чтобы можно было эффективно измерить и поглотить частицы более высоких энергий. В результате ATLAS является на данное время самым большим детектором на встречных пучках.^[1]

[править] Физическая программа эксперимента

Диаграмма Фейнмана: два виртуальных глюона, взаимодействующих с образованием гипотетического бозона Хиггса, t-кварка и t-антикварка. Они, в свою очередь, распадаются в определенную комбинацию кварков и лептонов, дублирование которой другими процессами маловероятно.

АТЛАС предназначен для исследования различных типов физики, которые могли бы быть обнаружены в энергичных столкновениях на LHC. Некоторые из этих исследований заключаются в подтверждении или улучшенных измерениях параметров Стандартной Модели, в то время как многие другие — в поисках новой физики.

Одна из самых важных целей АТЛАСа состоит в том, чтобы исследовать недостающую часть Стандартной Модели — бозон Хиггса. Механизм Хиггса, который включает бозон Хиггса, даёт массы элементарным частицам, оставляя фотон безмассовым. Если бозон Хиггса не будет обнаружен, то ожидается, что будут обнаружены другие механизмы нарушения электрослабой симметрии (такие как technicolor), объясняющие те же самые явления. Стандартная Модель просто неполна при энергиях LHC без такого механизма. Бозон Хиггса может быть обнаружен при детектировании частиц, на которые он распадается; самыми легкими для наблюдения конечными состояниями распада являются два фотона, два b-кварка либо же четыре лептона. Иногда эти распады могут быть надёжно идентифицированы как результат рождения бозона Хиггса, когда они связаны с дополнительными частицами в реакции рождения; см. пример на диаграмме справа.

Также будет исследована асимметрия между поведением материи и антиматерии, известная как нарушение CP-инвариантности.^[3] Текущие эксперименты, такие как BaBar и en:Belle, ещё не обнаружили достаточное нарушение CP-инвариантности в Стандартной Модели, чтобы объяснить отсутствие видимого антивещества во Вселенной. Возможно, что новые физические модели введут дополнительные механизмы нарушения CP-инвариантности, проливая свет на эту проблему; эти модели могли бы быть обнаружены или непосредственно — в рождении новых частиц (какие частицы имеются в виду?), или косвенно — по измерениям свойств B-мезонов (вероятно, для этого больше подойдет en:LHCb — эксперимент LHC, нацеленный на изучение B-мезонов).^[4]

Свойства t-кварка, обнаруженного в Фермилабе в 1995 году, были измерены к настоящему времени только приблизительно. С намного большей энергией и большими частотами столкновений, LHC произведет огромное число t-кварков, позволяя сделать намного более точные измерения его массы и взаимодействия с другими частицами.^[5] Эти измерения предоставят косвенную информацию о деталях Стандартной Модели, которые, возможно, могут дать какие-то несогласованности, указывающие на новую физику. Подобные точные измерения будут сделаны и для других известных частиц; например, АТЛАС может в конечном счете измерить массу W-бозона вдвое точнее ранее достигнутого.

Возможно, самые захватывающие направления исследований — те, которые ищут непосредственно новые модели физики. Одна из теорий, которая является предметом большого текущего исследования — нарушения суперсимметрии. Теория популярна, потому что она могла потенциально решить много проблем в теоретической физике и присутствует в почти всех моделях теории струн. Модели суперсимметрии вовлекают новые, очень массивные частицы; во многих случаях они распадаются в высокоэнергетический кварк и устойчивые тяжёлые частицы, которые с очень малой вероятностью будут взаимодействовать с обычным веществом. Устойчивые частицы избежали бы датчика, исчезая как сигнал одной или более высокоэнергетических кварковых струй и большое количество «пропавшего» импульса. Другие гипотетические массивные частицы, как в теории Калуцы — Клейна, могли бы оставить подобный след, но их открытие укажет на некоторый вид физики вне Стандартной Модели.

Одна косвенная возможность (если вселенная содержит большие дополнительные измерения ) состоит в том, что LHC может произвести микроскопические черные дыры.^[6] Они немедленно распались бы посредством излучения Хокинга, производства всех частиц Стандартной Модели в равных количествах и оставлении определенной подписи в детекторе АТЛАСА.^[7] Фактически, если бы это произошло, первичные исследования были бы проведены на произведённых черными дырами бозонах Хиггса и t-кварках.

[править] Компоненты детектора

Стиль этого раздела статьи неэнциклопедичен или нарушает нормы русского языка. Этот раздел статьи следует исправить согласно стилистическим правилам Википедии.

Детектор АТЛАС состоит из ряда больших концентрических цилиндров вокруг точки взаимодействия, где сталкиваются протонные пучки от LHC. Он может быть разделен на четыре главных части: внутренний детектор, калориметры, мюонный спектрометр и магнитные системы.^[8] Каждый из них в свою очередь сделан из повторяющихся слоев. Датчики дополнительны: Внутренний детектор точно отслеживает частицы, калориметры измеряют энергию легко остановленных частиц, мюонная система делает дополнительные измерения высокопроникающих мюонов. Две системы магнита отклоняют заряженные частицы во Внутреннем детекторе и мюонном спектрометре, позволяя измерить их импульсы.

Единственные установленные устойчивые частицы, которые не могут быть обнаружены непосредственно, — нейтрино; их существование выведено из замеченной неустойчивости импульса среди обнаруженных частиц. Чтобы работать, датчик должен быть «герметичным» и обнаруживать все произведенные не-нейтрино, без мёртвых точек. Поддержание работы датчика в областях высокой радиации, непосредственно окружающих протонные пучки, является существенной технической проблемой.

[править] Внутренний детектор

Центральная секция АТЛАС TRT, наиболее удаленная часть Внутреннего Детектора (на сентябрь 2005), собранная на поверхности, принимает данные, взятые из космических лучей.

Внутренний Детектор начинается в нескольких сантиметрах от оси пучка протонов, имеет внешний радиус 1,2 метра и длину канала луча семь метров. Его основная функция — отслеживать заряженные частицы, обнаруживая их взаимодействие с веществом в отдельных точках, раскрывая подробную информацию о типе частицы и ее импульсе.^[9] Магнитное поле, окружающее весь внутренний датчик, заставляет заряженные частицы отклоняться; направление кривой показывает заряд частицы, а степень кривизны — импульс частицы. Начальные точки следов дают полезную информацию для идентификации частицы; например, если группа следов, кажется, происходит из точки, отличной от первоначального протон-протонного столкновения, это может означать, что частицы прибыли из точки распада b-кварка (см. en:B-tagging). Внутренний Детектор состоит из трех частей, описываемых ниже.

Пиксельный детектор (Pixel Detector), внутренняя часть детектора, содержит три слоя и три диска на каждой заглушке (в общей сложности 1744 «модуля», размером два на шесть сантиметров каждый). Материал обнаружения — кремний 250 мкм толщиной. Каждый модуль содержит 16 считывающих чипов и другие электронные компоненты. Наименьшая единица, способная восприниматься, является пикселом (каждый 50 на 400 микрометров); есть примерно 47 000 пикселов за модуль. Мелкий размер пиксела разработан для чрезвычайно точного прослеживания очень близко к точке взаимодействия. Всего у пиксельного детектора будет более чем 80 миллионов каналов считывания, что составляет приблизительно 50 % полных каналов считывания; такой большое количество создает проект и техническую проблему. Друга проблема — радиация, которой будет подвергнут пиксельный детектор из-за его близости к точке взаимодействия (требуется, чтобы все компоненты были защищены, чтобы продолжить работать после существенных доз облучения.

Полупроводниковая система слежения (Semi-Conductor Tracker, SCT) — средний компонент внутреннего детектора. Принципиально и функционально подобен пиксельному детектору, но отличается длинными узкими полосами вместо маленьких пикселов, покрывая бо́льшие области. Размеры полос — 80 микрометров на 12,6 сантиметров. SCT — самая критическая часть внутреннего датчика для основного прослеживания в плоскости, перпендикулярной лучу, так как измеряет частицы по намного большей области, чем пиксельный детектор, с более частой выборкой точек и примерно равной (хотя бы по одной размерности) точностью. SCT составлен из четырех двойных слоев кремниевых полос, имеет 6,2 миллионов каналов считывания и общую площадь 61 квадратный метр.

Система слежения за переходным излучением (Transition radiation tracker, TRT) — наиболее удаленный компонент внутреннего датчика, является комбинацией «соломенного шпиона» и датчика переходного излучения. TRT содержит много маленьких «соломинок», каждая четыре миллиметра в диаметре и 144 сантиметра длиной. Это дает этому намного более грубое разрешение, чем другие два датчика (необходимая жертва для покрытия большего объёма) и иметь другой, дополняющий проект. Каждая «соломинка» заполнена газом, который ионизируется при прохождении заряженной частицы. Ионы производят ток в высоковольтном проводе, проходящем внутри «соломинки», создавая образец сигналов во многой соломе, что позволяет определить путь частицы. Это также содержит переменные материалы с разными коэффициентами преломления, заставляя заряженные частицы произвести переходное излучение и оставить намного более сильные сигналы в каждой «соломинке». Так как переходное излучение производится в основном релятивистскими частицами (движущимися с околосветовой скоростью), и частицы определенной энергии есть более высокая скорость легче, они, частицы со многими очень сильными сигналами могут быть идентифицированы как самые лёгкие заряженные частицы, электроны. TRT состоит из приблизительно 351 000 «соломинок».

[править] Калориметры

Сентябрь 2005: главная секция барреля адронного калориметра АТЛАСА ожидает перемещение в тороидные магниты.

Одна из секций расширений адронного калориметра ожидает вставки (конец февраля 2006)

Калориметры расположены вне соленоидального магнита, который окружает внутренний детектор. Их цель состоит в том, чтобы измерить энергию от частиц, поглощая их. Есть две основных системы калориметра: внутренний электромагнитный калориметр и внешний адронный калориметр.^[10] Оба калориметра типа сэмплинг (sampling), то есть основная часть энергии поглощается в металле высокой плотности, где возникает ливень частиц, а измерение поглощёной энергии осуществляется в веществе чувствительного объёма, из которых выводится значения энергий первоначальных частиц.

Электромагнитный (ЭМ) калориметр поглощает энергию частиц, способных к электромагнитному взаимодействию (к ним относятся заряженные частицы и фотоны). ЭМ-калориметр обладает высокой точностью в определении и количества поглощенной энергии, и точного положения выделившейся энергии. Угол между траекторией частицы и осью пучка (или, более точно — псевдобыстрота) и её угол в перпендикулярной плоскости могут быть измерены с погрешностью 0,025 радиана. Поглощающие энергию материалы — свинец и нержавеющая сталь, а чувствительное вещество — жидкий аргон. ЭМ-калориметр находится в криостате для того, чтобы аргон не испарился.

Адронный калориметр поглощает энергию от частиц, которые проходят через ЭМ-калориметр, но подвержены сильному взаимодействию; эти частицы — в основном адроны. Он менее точен и в величине энергии, и в локализации (в пределах приблизительно 0,1 радиана).^[4] Поглощающий энергию материал — сталь, а выделенная энергия измеряется в сцинтиллиционных пластинках. Многие из характеристики калориметра выбраны из-за их рентабельности, так как размеры прибора велики: главная часть калориметра, включающая калориметрические ячейки, составляет 8 метров в диаметре и 12 метров вдоль оси пучка. Самые передние секции адронного калориметра находятся внутри криостата ЭМ-калориметра и также используют жидкий аргон.

[править] Мюонный спектрометр

Мюонный спектрометр — чрезвычайно большая система трекинга, простирающаяся вокруг калориметров от радиуса 4,25 м до полного радиуса датчика (11 м).^[8] Его огромный размер требуется для точного измерения импульса мюонов, которые проникают через другие элементы датчика; заме́р жизненно важен, потому что один мюон или более — ключевой элемент ряда интересных физических процессов, и полная энергия частиц в событии не могла быть точно измерена, если бы они были проигнорированы. Он работает подобно внутреннему детектору, отклоняя мюоны так, чтобы можно было измерить их импульс, хотя он имеет другую конфигурацию магнитного поля, пространственная точность ниже и объём намного больше. Он также используется для простой идентификации мюонов — так как частиц других типов практически не могут пройти через калориметры и оставить сигналы в мюонном спектрометре. Он имеет около одного миллиона каналов считывания, его слои датчиков имеют общую площадь 12 000 квадратных метров.

[править] Магниты

Концы четырех из восьми тороидальных магнитов АТЛАСА, видимых с высоты около 90 метров (сентябрь 2005).

Часть ATLAS, февраль 2007.

Детектор АТЛАСА использует две больших системы магнитов, чтобы отклонять заряженные частицы так, чтобы их импульсы могли быть измерены. Это отклонение — следствие силы Лоренца, которая пропорциональна скорости. Так как все частицы, произведенные в протонных столкновениях LHC, будут двигаться с околосветовой скоростью, силы, действующие на частицы с разными импульсами, равны. (Согласно теории относительности, на таких скоростях импульс не пропорционален скорости.) Таким образом, частицы с большим импульсом отклонятся незначительно, в отличие от частиц с малым импульсом; степень отклонения может быть определена количественно, и по этому значению может быть определен импульс частицы.

Внутренний соленоид производит магнитное поле два тесла, окружающее Внутренний Детектор.^[11] Столь сильное поле позволяет даже очень энергичным частицам отклоняться достаточно для измерения их импульса, и его почти однородное направление и сила позволяют сделать очень точые измерения. Частицы с импульсами ниже примерно 400 МэВ будут отклонены настолько сильно, что они будут неоднократно образовывать петли в поле и наиболее вероятно не будут измерены; однако, эта энергия очень мала по сравнению с несколькими ТэВ энергии, высвобождаемой в каждом протонном столкновении.

Внешнее тороидальное магнитное поле создается восемью очень большими сверхпроводящими катушками с воздушным сердечником и двумя заглушками, все расположены вне калориметров и в пределах мюонной системы.^[11] Это магнитное поле составляет 26 метров длиной и 20 метров в диаметре и хранит 1,2 гигаджоуля энергии. Его магнитное поле неоднородно, потому что соленоидальный магнит достаточного размера был бы предельно дорог для создания. К счастью, размеры должны быть намного менее точными, чтобы точно измерить импульс в большом объеме мюонной системы.

[править] Аналитическая система

Стиль этого раздела статьи неэнциклопедичен или нарушает нормы русского языка. Этот раздел статьи следует исправить согласно стилистическим правилам Википедии.

Детектор производит неуправляемо большое количество исходных данных, приблизительно 25 мегабайтов на событие (исходно; подавление нулей сокращает его до 1,6 MB), 40 миллионов пересечений лучей в секунду в центре датчика дает в общей сложности 1 петабайт в секунду исходных данных.^[12] Триггерная система использует простую информацию, чтобы идентифицировать в режиме реального времени самые интересные события, сохраняя их для подробного анализа. Есть три уровня срабатывания: один базируется в электронике на датчике и два других, которыми прежде всего управляют на большой компьютерной группе около датчика. После триггера первого уровня отбирается приблизительно 100 000 событий в секунду. После триггера второго уровня для дальнейшего анализа сохраняется несколько сотен событий. Это количество данных потребует более чем 100 мегабайтов дискового пространства в секунду — по крайней мере петабайт ежегодно.^[13]

Офлайновая реконструкция событий будет выполнена на всех сохраненных событиях, преобразуя образец сигналов от датчика в физикческие объекты, такие как пучки частиц, фотоны и лептоны. Для реконструкции события будут экстенсивно использоваться грид-вычисления, позволяющие параллельно использовать компьютерные сети университета и лаборатории во всем мире для ресурсоёмкой (в смысле использования процессорного времени) задачи приведения больших количеств исходных данных к форме, подходящей для физического анализа. Программное обеспечение для этих задач развивалось много лет и продолжит совершенствоваться при старте эксперимента.

Люди и группы в целях сотрудничества напишут свой собственный код, чтобы выполнить дальнейший анализ этих объектов, ищущих в образце обнаруженных частиц для специфических физических моделей или гипотетических частиц. Эти исследования уже развиваются и проверяются на детальных моделированиях частиц и их взаимодействиях с датчиком. Такие моделирования дают физикам уверенность, что новые частицы могут быть обнаружены и сколько понадобится, чтобы подтвердить их с достаточной статистической надежностью.

[править] Примечания

[править] Ссылки

• ATLAS Technical Proposal. CERN: The Atlas Experiment. Retrieved on 2007-04-10
• ATLAS Detector and Physics Performance Technical Design Report. CERN: The Atlas Experiment. Retrieved on 2007-04-10
• Н. В. Красников, В. А. Матвеев (июль 2004). "Поиск новой физики на большом адронном коллайдере". Успехи физических наук 174 (7): 697-725.

[править] Внешние ссылки

	Эксперимент ATLAS на Викискладе?

• Official ATLAS Public Webpage at CERN (The «award winning ATLAS movie» is a very good general introduction!)
• Official ATLAS Collaboration Webpage at CERN (Lots of technical and logistical information)
• ATLAS Cavern Webcams
• ATLAS section from US/LHC Website
• PhysicsWorld article on LHC and experiments
• New York Times article on LHC and experiments
• United States Department of Energy article on ATLAS
• The Large Hadron Collider ATLAS Experiment Virtual Reality (VR) photography panoramas