Эксперимент ATLAS
ATLAS (от
). В проекте участвуют около 2000 ученых и инженеров из 165 лабораторий и университетов из 35 стран, в том числе и из РоссииРазмеры детектора ATLAS: длина — 46 метров, диаметр — 25 метров, общий вес — около 7000 тонн.
ATLAS разрабатывался как многоцелевой детектор. Когда создаваемые БАКом 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 предыдущих коллайдерах, вроде
Предпосылки создания
Первый ускоритель элементарных частиц —
БАК сооружён 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
Для наблюдения частиц, рождённых на ускорителях, необходимы
ATLAS предназначен для исследования различных типов физики, которые могли бы быть обнаружены в энергичных столкновениях в БАКе. Некоторые из этих исследований заключаются в подтверждении или улучшенных измерениях параметров Стандартной Модели, в то время как многие другие — в поисках
История
Эксперимент ATLAS в его нынешнем состоянии был предложен в 1994 году и официально одобрен руководством ЦЕРН 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
В 2017 году коллаборация ATLAS отмечала своё 25-летие, планируя устроить большое медиасобытие 2 октября[3].
Компоненты детектора
Стиль этого раздела неэнциклопедичен или нарушает нормы литературного русского языка. |
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[4]: внутренний детектор, калориметры, мюонный спектрометр и магнитные системы. Каждый из них в свою очередь сделан из повторяющихся слоев. Детекторы дополняют друг друга: Внутренний детектор точно отслеживает частицы, калориметры измеряют энергию легко останавливаемых 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, детектор должен быть «герметичным» и обнаруживать все произведённые не-нейтрино, без мёртвых точек. Поддержание работы детектора в областях высокой радиации, непосредственно окружающих протонные пучки, является существенной технической проблемой.
Внутренний детектор
Внутренний Детектор начинается в нескольких сантиметрах от оси пучка протонов, имеет внешний радиус 1,2 метра и длину канала луча 7 метров. Его основная функция — отслеживать заряженные частицы, обнаруживая их взаимодействие с веществом в отдельных точках, раскрывая подробную информацию о типе частицы и её импульсе.[5]. Магнитное поле, окружающее весь внутренний детектор, 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 трёх 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
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 детектора 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 четырёх двойных слоев кремниевых полос, имеет 6,2 миллионов каналов считывания и общую площадь 61 квадратный метр.
Трековый детектор
Калориметры
Электромагнитный (ЭМ) калориметр поглощает энергию частиц, способных к
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).[7] Поглощающий энергию материал — сталь, а выделенная энергия измеряется в сцинтилляционных пластинках. Многие из характеристик 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.
Мюонный спектрометр
Мюонный спектрометр — чрезвычайно большая система трекинга, простирающаяся вокруг калориметров от радиуса 4,25 м до полного радиуса детектора (11 м).[4] Его огромный размер требуется для точного измерения импульса мюонов, которые проникают через другие элементы детектора; 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 детекторов имеют общую площадь 12 000 квадратных метров.
Магнитная система
Детектор АТЛАСа использует две большие системы магнитов, чтобы отклонять заряженные частицы так, чтобы их импульсы могли быть измерены. Это отклонение — следствие силы Лоренца, которая пропорциональна скорости. Так как практически все частицы, произведённые в протонных столкновениях LHC, двигаются 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 определён импульс частицы.
Внутренний соленоид производит магнитное поле два
Внешнее
Системы сбора, обработки и анализа данных
Детектор производит огромное количество сырых данных — около 25 Мбайт на событие (в исходном сыром виде, подавление нулей сокращает его до 1,6 Мбайт) на каждое из 40 миллионов пересечений пучков в секунду в центре детектора, что даёт в общей сложности 1 Пбайт в секунду сырых данных[9][10].
Триггерная система использует информацию с детекторов, которую можно быстро обработать, чтобы отбирать в режиме реального времени самые интересные события для того, чтобы сохранить их для подробного анализа. Существуют три уровня триггера: первый уровень основан на специализированных электронных системах в детекторах, а два других работают на компьютерной ферме, расположенной рядом с детектором. После триггера первого уровня отбирается около 100 тыс. событий в секунду. После триггера второго уровня для дальнейшего анализа сохраняется несколько сотен событий. Это количество данных требовало сохранения на диски более чем 100 Мбайт ежесекундно, или по крайней мере 1 Пбайт ежегодно[11]. В 2010-е количество данных, требующих сохранения оценивалось в величину до 6 Гбайт ежесекундно, в год генерируется около 25 петабайт[10][12].
Для всех записанных событий выполняется
Пользователи и отдельные группы в коллаборации пишут свои собственные программы с применением библиотек Geant и ROOT для проведения дальнейшего анализа этих объектов, чтобы попытаться отождествить физические объекты в событиях с какой-то конкретной физической моделью или гипотетическими частицами. Эти исследования проверяются на детальных моделированиях взаимодействия частиц в детекторе, что необходимо для того, чтобы иметь представление о том, какие новые частицы могут быть обнаружены и сколько времени может понадобиться для их подтверждения с достаточной статистической значимостью.
Физическая программа эксперимента
Одна из самых важных целей ATLASа состоит в том, чтобы исследовать недостающую часть Стандартной Модели — бозон Хиггса. Механизм Хиггса, который включает бозон Хиггса, даёт массы элементарным частицам, оставляя фотон безмассовым; Стандартная Модель просто неполна при энергиях БАКа без такого механизма. Если бозон Хиггса не был бы обнаружен, то ожидалось, что будут обнаружены другие механизмы нарушения электрослабой симметрии (такие как техницвет), объясняющие те же самые явления.
Бозон Хиггса был обнаружен при детектировании частиц, на которые он распадается; самыми лёгкими для наблюдения конечными состояниями распада являются два
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 производит огромное число t-кварков, позволяя сделать намного более точные измерения его массы и взаимодействия с другими частицами[13]. Эти измерения предоставляют 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, предполагается, что ATLAS может в конечном счёте измерить массу W-бозона вдвое точнее ранее достигнутого.
Возможно, самые захватывающие направления исследований — те, которые ищут непосредственно новые модели физики. Одна из популярных в настоящее время теорий — суперсимметрия. Эта теория могла бы решить много проблем теоретической физики, она присутствует почти во всех моделях теории струн. Различные варианты теории суперсимметрии предполагают существование новых массивных частиц, которые во многих случаях распадаются в кварки и тяжёлые стабильные частицы. Вероятность взаимодействия последних с обычным веществом очень мала. Такие частицы не были бы непосредственно зарегистрированы в детекторе, но оставили бы след в виде большого количества «пропавшего» импульса при наличии одной или более высокоэнергетических кварковых струй. Подобный след могли бы оставить и другие гипотетические массивные частицы, как в теории Калуцы — Клейна, но их открытие также укажет на некоторый вид физики вне Стандартной Модели.
В случае справедливости модели больших
Весна 2021: участники эксперимента ATLAS более точно установили ограничения на сечение рождения пар бозона Хиггса и на его константу взаимодействия с самим собой[16].
Информация в этой статье или некоторых её разделах устарела. |
Литература
- Л. Н. Смирнова. Детектор ATLAS большого адронного коллайдера: Учебное пособие, М.: Университетская книга, 2010. ISBN 978-5-91304-121-0.
- 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]
Ссылки
- Н. В. Красников, В. А. Матвеев. Поиск новой физики на большом адронном коллайдере (англ.) // Успехи физических наук : journal. — Российская академия наук, 2004. — July (vol. 174, no. 7). — P. 697—725.
- Ученые Томского государственного университета (ТГУ) благодаря разработанным ими детекторам вошли в группу эксперимента ATLAS // sib-science.info
- 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
Примечания
- ↑ CERN. 2006-11-20. Архивировано10 марта 2016. Дата обращения: 10 января 2016.
- CERN Archive. Дата обращения: 25 февраля 2007. Архивировано из оригинала1 января 2007 года.
- ↑ Коллаборациям ATLAS и CMS исполняется 25 лет Архивная копия от 2 февраля 2019 на Wayback Machine // elementy.ru
- ↑ 1 2 Overall detector concept // ATLAS Technical Proposal (неопр.). — CERN, 1994.
- ↑ Inner detector // ATLAS Technical Proposal (неопр.). — CERN, 1994.
- ↑ Calorimetry // ATLAS Technical Proposal (неопр.). — CERN, 1994.
- ↑ Н. В. Красников, В. А. Матвеев. Поиск новой физики на большом адронном коллайдере (англ.) // Успехи физических наук : journal. — Российская академия наук, 2004. — July (vol. 174, no. 7). — P. 697—725. Архивировано 1 мая 2008 года.
- ↑ 1 2 Magnet system // ATLAS Technical Proposal (неопр.). — CERN, 1994.
- ↑ Marjorie Shapiro (June 18). Supersymmetry, Extra Dimensions and the Origin of Mass: Exploring the Nature of the Universe Using PetaScale Data Analysis. Event occurs at 35:00. Архивировано 15 декабря 2011. Дата обращения: 8 декабря 2007.
{{cite AV media}}
: Проверьте значение даты:|date=
and|year=
/|date=
mismatch (справка) См. также 32:30 — информация о различных уровнях триггера. - ↑ 1 2 PanDA : распределенная система обработки Больших Данных в неоднородной компьютерной среде (англ.). Пятый Московский Суперкомпьютерный Форум. OSP.ru (21 Oктября 2014). — «"Proton-Proton Collisions at the LHC... Raw data rate from LHC detector : 1PB/s .. Up to 6 GB/s to be stored and analysed after filtering"». Дата обращения: 21 ноября 2014. Архивировано 24 сентября 2015 года.
- ↑ "The sensitive giant". United States Department of Energy Research News. 2004-03. Архивировано из оригинала 1 марта 2021. Дата обращения: 11 апреля 2008.
- ↑ Information Revolution: Big Data Has Arrived at an Almost Unimaginable Scale | WIRED . Дата обращения: 1 октября 2017. Архивировано 14 марта 2014 года.
- ↑ Top-Quark Physics // ATLAS Technical Proposal (неопр.). — CERN, 1994.
- ↑ C.M. Harris, M.J. Palmer, M.A. Parker, P. Richardson, A. Sabetfakhri and B.R. Webber. Exploring higher dimensional black holes at the Large Hadron Collider (англ.) // Journal of High Energy Physics[англ.] : journal. — 2005. — Vol. 5. — P. 053.
- ↑ J. Tanaka, T. Yamamura, S. Asai, J. Kanzaki. Study of Black Holes with the ATLAS detector at the LHC (англ.) // The European Physical Journal C[англ.] : journal. — 2005. — Vol. 41, no. s2. — P. 19—33. (недоступная ссылка)
- ↑ Второй сезон Коллайдера: ATLAS ограничил взаимодействие бозона Хиггса с самим собой Архивная копия от 13 мая 2021 на Wayback Machine // nplus1.ru, 2 Апр. 2021