Experiment ATLAS

ATLAS (z angl  . A Toroidal L HC A pparatu S ) je jedním ze čtyř hlavních experimentů na urychlovači LHC ( Large Hadron Collider , LHC) v Evropské organizaci pro jaderný výzkum CERN (CERN) v Ženevě ( Švýcarsko ). Experiment je prováděn na stejnojmenném detektoru určeném ke studiu srážek protonů s protony (další experimenty na LHC jsou ALICE , CMS , TOTEM , LHCb a LHCf ). Do projektu je zapojeno asi 2000 vědců a inženýrů ze 165 laboratoří a univerzit z 35 zemí včetně Ruska [1] . Experiment je navržen tak, aby hledal supertěžké elementární částice , jako je Higgsův boson a supersymetrické partnery částic Standardního modelu . Fyzici věří, že experimenty s detektory ATLAS a CMS mohou vrhnout světlo na fyziku nad rámec standardního modelu .

Rozměry detektoru ATLAS: délka - 46 metrů , průměr - 25 metrů, celková hmotnost - cca 7000 tun .

ATLAS byl vyvinut jako víceúčelový detektor. Když se srážející se paprsky protonů vytvořené LHC srazí ve středu detektoru, vznikají různé částice s širokým rozsahem energií. Namísto zaměření na konkrétní fyzikální proces je ATLAS navržen k měření nejširšího rozsahu signálů od vzniku a rozpadu částic. To zajišťuje, že ať už mohou mít jakékoli nové fyzikální procesy nebo částice jakoukoli formu, ATLAS je bude schopen detekovat a měřit jejich vlastnosti. Experimenty na předchozích urychlovačích, jako byl Tevatron nebo Velký elektron-pozitronový urychlovač (LEP), byly založeny na podobných myšlenkách. Jedinečnost LHC – bezprecedentní energie a extrémně vysoká rychlost kolizí – však činí ATLAS větším a složitějším než dosud vyrobené detektory.

Předpoklady pro vytvoření

První urychlovač částic, cyklotron , sestrojil americký fyzik Ernst Lawrence v roce 1931, měl poloměr jen několik centimetrů a urychloval protony na energii 1 MeV . Od té doby velikost urychlovačů narostla do kolosálních rozměrů, protože větší energie zrychlení vyžaduje větší lineární rozměry urychlovače. A ke zrodu stále těžších částic je zapotřebí velká srážková energie. Dosud nejúplnější fyzikální teorie, která popisuje všechny jevy, na kterých se podílejí elementární částice, se nazývá Standardní model fyziky elementárních částic. S jedinou výjimkou ( Higgsův boson ) byly všechny částice standardního modelu pozorovány experimentálně. Ve Standardním modelu je zapotřebí hypotetický (v současnosti) Higgsův boson k vysvětlení původu hmoty částic (viz Higgsův mechanismus ), protože přesná kalibrační symetrie , na které je tato teorie založena, vyžaduje podmínku, že všechny částice musí být bez hmotnosti. Většina fyziků pracujících v této oblasti věří, že samotný Higgsův boson nemůže být těžší než několik stovek GeV a že na energetické škále asi 1 TeV se Standardní model musí rozbít a poskytovat nesprávné předpovědi (tato hypotéza se nazývá přirozený stav) . Druh fyziky, který se může objevit v tomto měřítku, se obvykle nazývá „ fyzika za standardním modelem “.

LHC byl postaven pro hledání a studium vlastností Higgsova bosonu a hledání nových jevů ve fyzice v měřítku asi 1 TeV. Většina modelů nové fyziky navrhovaných teoretiky předpovídá existenci velmi těžkých částic o hmotnosti stovek GeV nebo několika TeV (pro srovnání, hmotnost protonu je asi 1 GeV). Dva svazky protonů se srazí v tunelu dlouhém 27 kilometrů a každý z protonů má energii až 7 TeV. Díky této kolosální energii se mohou zrodit těžké částice, které v přírodě existovaly pouze v prvních mikrosekundách po velkém třesku .

K pozorování částic produkovaných na urychlovačích jsou potřeba detektory elementárních částic . I když se při srážce protonů mohou stát zajímavé jevy, nestačí je pouze vytvořit. Detektory musí být postaveny tak, aby detekovaly částice, měřily jejich hmotnosti, hybnost , energie a náboje, určovaly jejich rotace . Za účelem identifikace všech částic produkovaných v oblasti interakce svazku částic jsou detektory částic obvykle uspořádány v několika vrstvách. Vrstvy se skládají z různých typů detektorů, z nichž každý se specializuje na určité typy měření. Různé vlastnosti, které částice zanechávají v každé vrstvě detektoru, se používají pro účinnou identifikaci částic a přesná měření energie a hybnosti (úloha každé vrstvy v detektoru je diskutována níže ).

ATLAS je navržen tak, aby prozkoumal různé typy fyziky, které lze nalézt v energetických srážkách na LHC. Některé z těchto výzkumů mají potvrdit nebo zlepšit měření parametrů standardního modelu, zatímco mnoho dalších hledá novou fyziku . S rostoucí energií částic produkovaných na větším urychlovači se musí zvětšovat i velikost detektorů, aby bylo možné efektivně měřit a absorbovat částice o vyšších energiích; v důsledku toho je ATLAS v současnosti největším detektorem srážkového paprsku [1] .

Historie

Spolupráce ATLAS , tedy skupina fyziků, kteří staví detektor a provádějí na něm experimenty, vznikla v roce 1992 , kdy vznikly dva experimentální projekty pro výzkumný program na LHC , EAGLE ( Experiment for A ccurate G amma , L epton and Energy Measurements ) a ASCOT ( Aparatus with Super CO nducting Toroids ) spojily své síly a začaly navrhovat jediný univerzální detektor [2] . Design nového zařízení vycházel z vývoje jak spolupráce, tak týmů, které vzešly z projektu urychlovače SSC ( Superconducting Super Collider ) v USA, který byl uzavřen v roce 1993.

Experiment ATLAS v současném stavu byl navržen v roce 1994 a oficiálně schválen vedením CERN v roce 1995 . V průběhu doby, která uplynula od vytvoření spolupráce, se ke spolupráci připojovalo stále více skupin fyziků z různých univerzit a zemí a v současnosti je spolupráce ATLAS jednou z největších oficiálních komunit v částicové fyzice.

Montáž detektoru ATLAS na podzemním místě v CERNu začala v roce 2003 poté, co byl odstaven předchozí urychlovač LEP .

V roce 2017 oslavila spolupráce ATLAS své 25. výročí naplánováním velké mediální akce na 2. října [3] .

Komponenty detektoru

Detektor ATLAS se skládá ze série velkých soustředných válců kolem bodu interakce, kde se srážejí paprsky protonů z LHC. Lze jej rozdělit do čtyř hlavních částí [4] : vnitřní detektor, kalorimetry , mionový spektrometr a magnetické systémy. Každá z nich je zase tvořena opakujícími se vrstvami. Detektory se vzájemně doplňují: Interní detektor přesně sleduje částice, kalorimetry měří energii snadno zastavitelných částic a mionový systém provádí další měření vysoce penetrujících mionů. Dva magnetické systémy vychylují nabité částice ve vnitřním detektoru a mionovém spektrometru, což umožňuje měřit jejich hybnost .

Jediné stabilní částice, které nelze přímo detekovat, jsou neutrina ; jejich existence je odvozena z pozorované nestability hybnosti mezi detekovanými částicemi. Aby detektor fungoval, musí být „utěsněný“ a detekovat všechna produkovaná neutrina, bez mrtvých míst. Udržení provozu detektoru v oblastech s vysokou radiací bezprostředně obklopujících protonové svazky je významným technickým problémem.

Vnitřní detektor

Vnitřní detektor začíná několik centimetrů od osy protonového paprsku, má vnější poloměr 1,2 metru a délku kanálu paprsku 7 metrů. Jeho hlavní funkcí je sledovat nabité částice, zjišťovat jejich interakci s hmotou v jednotlivých bodech, odhalovat podrobné informace o typu částice a její hybnosti. [5] . Magnetické pole obklopující celý vnitřní detektor způsobuje vychýlení nabitých částic; směr křivky ukazuje náboj částice a stupeň zakřivení ukazuje hybnost částice. Počáteční body stezky poskytují užitečné informace pro identifikaci částic ; pokud se například zdá, že skupina stop pochází z jiného bodu, než je původní srážka protonů s protonem, mohlo by to znamenat, že částice dorazily z bodu rozpadu b-kvarku (viz en:B-tagging ). Vnitřní detektor se skládá ze tří částí, které jsou popsány níže.

Pixel Detector , vnitřek detektoru, obsahuje tři vrstvy a tři disky na každé zástrčce (celkem 1744 "modulů", každý o rozměrech dva krát šest centimetrů). Detekční materiál je silikon o tloušťce 250 mikronů. Každý modul obsahuje 16 čtecích čipů a další elektronické součástky. Nejmenší jednotkou, kterou lze vnímat, je pixel (každý 50 x 400 mikrometrů); na modul je zhruba 47 000 pixelů. Jemná velikost pixelů je navržena pro extrémně přesné sledování velmi blízko bodu interakce. Celkem má pixelový detektor více než 80 milionů čtených kanálů, což je přibližně 50 % z celkového počtu čtených kanálů; takové množství vytváří projekt a technický problém. Dalším problémem je záření , kterému bude pixelový detektor vystaven vzhledem ke své blízkosti k bodu interakce (všechny komponenty musí být odstíněny , aby mohly fungovat i po vysokých dávkách záření).

Polovodičový sledovací systém ( Semi-Conductor Tracker , SCT) - střední součást vnitřního detektoru. Zásadně a funkčně je podobný pixelovému detektoru, liší se však dlouhými úzkými pruhy namísto malých pixelů, pokrývajícími větší plochy. Rozměry proužků jsou 80 mikrometrů na 12,6 centimetrů. SCT je nejkritičtější částí vnitřního detektoru pro základní sledování v rovině kolmé k paprsku, protože měří částice na mnohem větší ploše než pixelový detektor, s častějším vzorkováním bodů a přibližně stejnými (alespoň v jednom rozměru). ) přesnost. SCT se skládá ze čtyř dvojitých vrstev silikonových proužků, má 6,2 milionu čtecích kanálů a celkovou plochu 61 metrů čtverečních.

Sledovač přechodového záření ( TRT) je nejvzdálenější součástí vnitřního detektoru a je kombinací stopového detektoru a detektoru přechodového záření. TRT se skládá z velkého množství unášecích trubek - "slámy", což jsou trubky o průměru čtyři milimetry a délce 144 centimetrů (pro středovou část). Díky tomu má hrubší rozlišení než ostatní dva detektory (nevyhnutelná cena za pokrytí velkým objemem) a má zcela odlišný design. Každé „brčko“ je naplněno směsí plynů, která se při průchodu nabité částice ionizuje . Ionty a elektrony se pohybují pomocí elektrického pole a vytvářejí proudový impuls na anodovém vysokonapěťovém drátu procházejícím podél osy trubice, což umožňuje určit trubice, kterými procházela dráha částic. Tento detektor dále obsahuje chladič, svazek polypropylenových fólií a vláken, s dielektrickou konstantou, indexem lomu , odlišným od okolí, což vede k emisi částic na hranicích materiálů přechodového záření, které při průchodu trubek, vytváří dodatečné uvolnění energie v "brčko". Protože přechodové záření, ke kterému dochází, když relativistické částice (pohybující se rychlostí blízkou světla) překročí hranici dvou prostředí, je úměrné faktoru gama částice, jsou některé částice, při jejichž průchodu vznikají signály s velkou amplitudou, identifikované jako elektrony . TRT se skládá z přibližně 300 000 "slaměných" trubek.

Kalorimetry

Kalorimetry jsou umístěny mimo solenoidový magnet, který obklopuje vnitřní detektor. Jejich účelem je měřit energii částic jejich pohlcováním. Existují dva hlavní kalorimetrické systémy: interní elektromagnetický kalorimetr a externí hadronový kalorimetr. [6] Oba kalorimetry jsou vzorkovacího typu , to znamená, že hlavní část energie je absorbována v kovu o vysoké hustotě, kde dochází ke sprše částic a měření absorbované energie je prováděno v látce citlivý objem, od kterého se odvozují energie počátečních částic.

Elektromagnetický (EM) kalorimetr absorbuje energii částic schopných elektromagnetické interakce (patří sem nabité částice a fotony ). EM kalorimetr je vysoce přesný při určování jak množství absorbované energie, tak přesné polohy uvolněné energie. Úhel mezi trajektorií částice a osou paprsku (nebo přesněji pseudorapiditou ) a jeho úhel v kolmé rovině lze měřit s chybou 0,025 radiánu . Materiály pohlcující energii jsou olovo a nerezová ocel a snímacím činidlem je tekutý argon . EM kalorimetr je v kryostatu , aby zabránil vypařování argonu.

Hadronový kalorimetr absorbuje energii z částic, které procházejí EM kalorimetrem, ale podléhají silným interakcím; tyto částice jsou většinou hadrony. Je méně přesný jak v energii, tak v lokalizaci (v rozmezí asi 0,1 radiánu). [7] Materiál pohlcující energii je ocel a uvolněná energie se měří ve scintilačních deskách. Mnohé z charakteristik kalorimetru byly zvoleny z důvodu jejich hospodárnosti, protože rozměry zařízení jsou velké: hlavní část kalorimetru včetně kalorimetrických článků má průměr 8 metrů a 12 metrů podél osy paprsku. Nejpřednější části hadronového kalorimetru jsou uvnitř kryostatu EM kalorimetru a také používají kapalný argon.

Mionový spektrometr

Mionový spektrometr  je extrémně velký sledovací systém, který se rozprostírá kolem kalorimetrů od poloměru 4,25 m po celý poloměr detektoru (11 m). [4] Jeho obrovská velikost je nutná k přesnému měření hybnosti mionů, které pronikají jinými prvky detektoru; měření je životně důležité, protože jeden nebo více mionů je klíčovým prvkem v řadě zajímavých fyzikálních procesů a celkovou energii částic v události by nebylo možné přesně změřit, pokud by byly ignorovány. Funguje jako vnitřní detektor, vychyluje miony, aby bylo možné měřit jejich hybnost, ačkoli má jinou konfiguraci magnetického pole , nižší prostorovou přesnost a mnohem větší objem. Používá se také pro snadnou identifikaci mionů - protože jiné typy částic prakticky nelze projít kalorimetry a zanechat signály v mionovém spektrometru. Má asi jeden milion čtecích kanálů, jeho detekční vrstvy mají celkovou plochu 12 000 metrů čtverečních.

Magnetický systém

Detektor ATLAS využívá dva velké systémy magnetů k vychylování nabitých částic, aby bylo možné měřit jejich hybnost. Tato odchylka je důsledkem Lorentzovy síly , která je úměrná rychlosti. Protože prakticky všechny částice vzniklé při srážkách protonů na LHC se pohybují rychlostí blízkou rychlosti světla, jsou síly působící na částice s různou hybností stejné. (Podle teorie relativity není hybnost při takových rychlostech úměrná rychlosti.) Částice s vysokou hybností se tedy budou mírně odchylovat, na rozdíl od částic s nízkou hybností; stupeň vychýlení lze kvantifikovat a z této hodnoty určit hybnost částice.

Vnitřní solenoid vytváří magnetické pole se dvěma Teslami obklopujícími vnitřní detektor. [8] Takto silné pole umožňuje dostatečně vychýlit i velmi energetické částice k měření jejich hybnosti a jeho téměř jednotný směr a síla umožňuje velmi přesná měření. Částice s hybností pod asi 400 MeV budou vychýleny tak silně, že se v poli opakovaně zacyklí a s největší pravděpodobností nebudou měřeny; tato energie je však velmi malá ve srovnání s několika TeV energie uvolněné při každé srážce protonů.

Vnější toroidní magnetické pole je generováno osmi velmi velkými supravodivými cívkami se vzduchovým jádrem se dvěma zátkami, všechny umístěné mimo kalorimetry a uvnitř mionového systému. [8] Toto magnetické pole je 26 metrů dlouhé a 20 metrů v průměru a uchovává 1,2 gigajoulů energie. Jeho magnetické pole je nerovnoměrné, protože solenoidový magnet dostatečné velikosti by byl neúměrně drahý na stavbu. Naštěstí musí být měření mnohem méně přesná, aby bylo možné přesně změřit hybnost ve velkém objemu mionového systému.

Systémy sběru, zpracování a analýzy dat

Detektor produkuje obrovské množství nezpracovaných dat – asi 25 MB na událost (ve své původní nezpracované formě je potlačení nuly snižuje na 1,6 MB) pro každý ze 40 milionů průchodů paprsku za sekundu ve středu detektoru, což dává celkem 1 PB za sekundu nezpracovaná data [9] [10] .

Spouštěcí systém využívá informace z detektorů, které lze rychle zpracovat, k výběru nejzajímavějších událostí v reálném čase za účelem jejich uložení pro podrobnou analýzu. Existují tři spouštěcí úrovně: první úroveň je založena na specializovaných elektronických systémech v detektorech, zatímco další dvě fungují na počítačové farmě umístěné vedle detektoru. Po spuštění první úrovně je vybráno asi 100 tisíc událostí za sekundu. Po spuštění druhé úrovně je několik stovek událostí uloženo pro další analýzu. Toto množství dat vyžadovalo každou sekundu uložit na disk více než 100 MB dat, tedy alespoň 1 PB ročně [11] . V roce 2010 se množství dat, které je potřeba uložit, odhadovalo až na 6 GB každou sekundu, ročně se vygeneruje asi 25 petabajtů [10] [12] .

U všech zaznamenaných událostí se provádí offline rekonstrukce, která převádí signály z detektorů na fyzické entity, jako jsou hadronové jety , fotony a leptony . K rekonstrukci událostí se intenzivně využívá grid computing (LHC Computing Grid), který umožňuje paralelní využití počítačových sítí univerzit a laboratoří po celém světě pro zdrojově náročný (ve smyslu využití procesorového času) úkol snižování velkého množství počátečních data do formy vhodné pro fyzikální analýzu. Software pro tyto úkoly byl vyvíjen více než jeden rok a s postupem experimentu se neustále zlepšuje.

Uživatelé a jednotlivé skupiny ve spolupráci píší své vlastní programy pomocí knihoven Geant a ROOT k další analýze těchto objektů, aby se pokusili identifikovat fyzické objekty v událostech s konkrétním fyzikálním modelem nebo hypotetickými částicemi. Tyto studie jsou testovány proti podrobným simulacím interakcí částic v detektoru, což je nezbytné pro získání představy o tom, jaké nové částice lze detekovat a jak dlouho může trvat jejich potvrzení s dostatečnou statistickou významností .

Fyzikální program experimentu

Jedním z nejdůležitějších cílů ATLASu je prozkoumat chybějící část Standardního modelu, Higgsův boson . Higgsův mechanismus , který zahrnuje Higgsův boson, dává hmotnosti elementárním částicím, takže foton je bez hmoty; Standardní model je při energiích LHC bez takového mechanismu jednoduše neúplný. Pokud by nebyl objeven Higgsův boson, pak se očekávalo, že by byly nalezeny jiné mechanismy elektroslabého narušení symetrie (jako je technicolor ), které by vysvětlily stejné jevy.

Higgsův boson byl objeven detekcí částic, na které se rozpadá; nejsnáze pozorovat konečné stavy rozpadu jsou dva fotony nebo čtyři leptony . Někdy lze tyto rozpady spolehlivě identifikovat jako výsledek produkce Higgsových bosonů, když jsou spojeny s dalšími částicemi v produkční reakci; viz příklad na obrázku vpravo.

Vlastnosti kvarku t , objeveného ve Fermilabu v roce 1995, byly zatím změřeny pouze přibližně. S mnohem vyšší energií a vyššími srážkovými frekvencemi produkuje LHC obrovské množství t-kvarků, což umožňuje mnohem přesnější měření jeho hmotnosti a interakcí s jinými částicemi [13] . Tato měření poskytují nepřímé informace o podrobnostech standardního modelu, což může poskytnout určité nesrovnalosti, které ukazují na novou fyziku. Podobná přesná měření budou provedena pro další známé částice; například se předpokládá, že ATLAS může nakonec změřit hmotnost W bosonu dvakrát tak přesně, než bylo dříve dosaženo.

Snad nejvíce vzrušující směry výzkumu jsou ty, které přímo hledají nové modely fyziky. Jednou z aktuálně populárních teorií je supersymetrie . Tato teorie by mohla vyřešit mnoho problémů v teoretické fyzice a je přítomna téměř ve všech modelech teorie strun . Různé verze teorie supersymetrie naznačují existenci nových hmotných částic, které se v mnoha případech rozpadají na kvarky a těžké stabilní částice . Pravděpodobnost interakce posledně jmenovaného s běžnou hmotou je velmi malá. Takové částice by nebyly přímo registrovány v detektoru, ale zanechávaly by stopu ve formě velkého množství "chybějící" hybnosti v přítomnosti jednoho nebo více vysokoenergetických kvarkových jetů . Další hypotetické masivní částice, jako v Kaluza-Kleinově teorii , by mohly zanechat podobnou stopu , ale jejich objev by také ukázal na nějaký druh fyziky za standardním modelem.

Pokud je model velkých extra rozměrů správný, mohly by se na LHC zrodit mikroskopické černé díry . [14] Okamžitě by se rozpadly Hawkingovým zářením , produkovaly by zhruba stejný počet všech částic Standardního modelu (včetně Higgsových bosonů a t-kvarků), což by poskytlo jednoznačnou identifikaci takové události v detektoru ATLAS. [patnáct]

Jaro 2021: Účastníci experimentu ATLAS přesněji stanovili omezení na produkční průřez páru Higgsových bosonů a na jeho samovazbovou konstantu [16] .

Literatura

Odkazy

Poznámky

  1. 1 2 CERN (2006-11-20). Zapíná se největší supravodivý magnet na světě . Tisková zpráva . Staženo 2016-01-10 .
  2. Záznamy o spolupráci ATLAS (downlink) . Archiv CERN . Získáno 25. února 2007. Archivováno z originálu 1. ledna 2007. 
  3. Spolupráce ATLAS a CMS slaví 25 let // elementy.ru
  4. 1 2 Celková koncepce detektoru // Technický návrh ATLAS  (neopr.) . — CERN , 1994.
  5. Vnitřní detektor // Technický návrh ATLAS  (neurčeno) . — CERN , 1994.
  6. Kalorimetrie // Technický návrh ATLAS  (neopr.) . — CERN , 1994.
  7. N. V. Krasnikov, V. A. Matvejev. Hledejte novou fyziku na Large Hadron Collider  (anglicky)  // Uspekhi fizicheskikh nauk  : journal. - Ruská akademie věd , 2004. - červenec ( roč. 174 , č. 7 ). - str. 697-725 .
  8. 1 2 Magnetický systém // Technický návrh ATLAS  (neopr.) . — CERN , 1994.
  9. Marjorie Shapiro. Supersymetrie, extra rozměry a původ hmoty: Zkoumání povahy vesmíru pomocí datové analýzy PetaScale . (2007, 18. června). Získáno 8. prosince 2007. Čas od začátku zdroje: 35:00. Viz také 32:30 - informace o různých úrovních spouštění.
  10. 1 2 PanDA: distribuovaný systém pro zpracování velkých dat v heterogenním výpočetním prostředí  (angl.) . Páté moskevské superpočítačové fórum . OSP.ru (21. října 2014). — ""Proton-protonové srážky na LHC... Rychlost hrubých dat z detektoru LHC: 1PB/s .. Až 6 GB/s k uložení a analýze po filtraci"". Staženo: 21. listopadu 2014.
  11. Citlivý obr , Ministerstvo energetiky Spojených států amerických (United States Department of Energy Research News  ) (březen 2004).
  12. Informační revoluce: Velká data dosáhla téměř nepředstavitelného rozsahu | WIRED
  13. Top-Quark Physics // Technický návrh ATLAS  (neopr.) . — CERN , 1994.
  14. CM Harris, MJ Palmer, MA Parker, P. Richardson, A. Sabetfakhri a BR Webber. Zkoumání vyšších dimenzí černých děr ve Velkém hadronovém urychlovači  //  Journal of High Energy Physics : deník. - 2005. - Sv. 5 . — S. 053 .
  15. J. Tanaka, T. Yamamura, S. Asai, J. Kanzaki. Studium černých děr s detektorem ATLAS na LHC  //  The European Physical Journal C : deník. - 2005. - Sv. 41 , č. s2 . - str. 19-33 .  (nedostupný odkaz)
  16. Druhá sezóna Collideru: ATLAS omezil interakci Higgsova bosonu se sebou samým // nplus1.ru, 2. dubna. 2021