ATLAS (от ) — один из четырёх основных экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК) в европейской организации ядерных исследований ЦЕРН в городе Женева, Швейцария. Эксперимент проводится на одноимённом детекторе, предназначенном для исследования протон-протонных столкновений (другие эксперименты на БАКе — ALICE, CMS, TOTEM, LHCb и LHCf). В проекте участвуют около 2000 ученых и инженеров из 165 лабораторий и университетов из 35 стран, в том числе и из России. Эксперимент предназначен для поиска сверхтяжелых элементарных частиц, таких как бозон Хиггса и суперсимметричные партнёры частиц Стандартной Модели. Физики считают, что эксперименты на детекторах ATLAS и CMS могут пролить свет на физику за рамками Стандартной Модели.
Размеры 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 Теватрона или большого электрон-позитронного коллайдера, были основаны на сходных идеях. Однако уникальность БАКа — беспрецедентные энергии и чрезвычайно высокая частота столкновений — делает ATLAS больше и сложнее построенных до сих пор детекторов.
Предпосылки создания 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 возникновения массы у 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» .
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 протона — порядка 1 ГэВ). В туннеле длиной 27 километров сталкиваются два пучка протонов, и каждый из протонов имеет энергию до 7 ТэВ. Благодаря этой колоссальной энергии смогут родиться тяжелые частицы, которые существовали в природе только в первые микросекунды после Большого Взрыва.
Для наблюдения частиц, рождённых на ускорителях, необходимы детекторы элементарных частиц. В то время как интересные явления могут произойти при столкновении протонов, недостаточно только произвести их. Должны быть построены детекторы, чтобы обнаружить частицы, измерить их массы, импульсы, энергии и заряды, определить их спины. Чтобы идентифицировать все частицы, рождённые в области взаимодействия пучков частиц, детекторы частиц обычно располагаются в несколько слоёв. Слои составлены из детекторов различных типов, каждый из которых специализирован на определённых 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 детекторе обсуждена ниже).
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 новой физики. 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.
История
Коллаборация ATLAS, то есть группа физиков, строящих детектор и проводящих на нём 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. Дизайн нового аппарата базировался на основе наработок обеих коллабораций, а также команд, пришедших из проекта коллайдера SSC (Superconducting Super Collider) в США, закрытого в 1993 году.
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 2003 году, после остановки предыдущего ускорителя LEP.
В 2017 году коллаборация ATLAS отмечала своё 25-летие, планируя устроить большое медиасобытие 2 октябряКоллаборациям ATLAS и CMS исполняется 25 лет // elementy.ru.
Компоненты детектора
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. 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. 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 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 имеется более чем 80 миллионов каналов считывания, что составляет приблизительно 50 % полных каналов считывания; такой большое количество создаёт проект и техническую проблему. Другая 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 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 переходного излучения (Transition radiation tracker, TRT) — наиболее удалённый компонент внутреннего детектора, представляет собой комбинацию трекового детектора и детектора переходного излучения. TRT состоит из большого числа дрейфовых трубок — «straw», представляющих собой трубочки, четыре миллиметра в диаметре и 144 сантиметра длиной (для центральной части). Вследствие этого он обладает более грубым разрешением, чем другие два детектора (неизбежная плата за покрытие большого объёма) и имеет полностью другой дизайн. Каждая «straw» заполнена газовой смесью, которая ионизируется при прохождении заряженной частицы. Ионы и электроны посредством электрического поля движутся, образуя на анодной высоковольтной проволочке, проходящей вдоль оси трубочки, импульс тока, что позволяет определить трубочки, через которые проходил путь частицы. Этот детектор также содержит радиатор, стопку полипропиленовых плёнок и волокон, с диэлектрической проницаемостью, коэффициентами преломления, отличной от окружающей среды, что приводит к излучению частицами на границах материалов переходного излучения, которое, при прохождении через трубочки создаёт дополнительное энерговыделение в «straw». Так как переходное излучение, возникающее при пересечении релятивистскими частицами (движущимися с околосветовой скоростью) границы двух сред, пропорционально гамма-фактору частицы, то часть частиц, при прохождении которых возникают сигналы большой амплитуды, идентифицируются как электроны. TRT состоит из приблизительно 300 000 трубок — «straw».
Калориметры