تجربة أطلس ، سيرن ، جنيف ، سويسرا

يعد ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) أحد التجارب السبعة للكشف عن الجسيمات التي تم إنشاؤها في Collider Hadron Collider (LHC) ، مسرع الجسيمات في CERN (المنظمة الأوروبية للبحوث النووية) في سويسرا. تم تصميم التجربة للاستفادة من الطاقة غير المسبوقة المتاحة في LHC ولاحظ الظواهر التي تنطوي على جزيئات ضخمة للغاية والتي لم تكن ملحوظة باستخدام مسرعات الطاقة المنخفضة السابقة. كان ATLAS أحد تجربتي LHC المتضمنة في اكتشاف بوز Higgs في يوليو 2012. كما تم تصميمه للبحث عن أدلة على نظريات فيزياء الجسيمات خارج النموذج القياسي.

يبلغ طول كاشف ATLAS 46 مترًا ، وقطره 25 مترًا ، ويزن حوالي 7000 طن ؛ أنه يحتوي على حوالي 3000 كم من الكابل. التجربة عبارة عن تعاون يضم حوالي 3000 من علماء الفيزياء من أكثر من 175 مؤسسة في 38 دولة. قام بيتر جيني بقيادة المشروع لمدة 15 عامًا ، بين عامي 2009 و 2013 ، ترأسه فابيولا جيانوتي ، من 2013 إلى 2017 من قبل ديفيد تشارلتون ، ثم كارل جاكوبس.

CERN
المنظمة الأوروبية للبحوث النووية (الفرنسية: منظمة européenne pour la recherche nucléaire) ، والمعروفة باسم CERN (مشتقة من اسم Conseil européen pour la recherche nucléaire) ، هي منظمة أبحاث أوروبية تدير أكبر مختبر للفيزياء الجزيئية في العالم. تأسست المنظمة في عام 1954 ، ويقع مقرها في ضاحية في شمال غرب جنيف على الحدود الفرنسية السويسرية وتضم 23 دولة عضو. إسرائيل هي الدولة الوحيدة غير الأوروبية الممنوحة العضوية الكاملة. سيرن هو مراقب رسمي للأمم المتحدة.

يستخدم اختصار CERN أيضًا للإشارة إلى المختبر ، الذي كان لديه في عام 2016 2500 موظف علمي وفني وإداري ، واستضاف حوالي 12000 مستخدم. في نفس العام ، أنتجت CERN 49 بيتابايت من البيانات.

تتمثل وظيفة CERN الرئيسية في توفير معجلات الجسيمات والبنية التحتية الأخرى اللازمة لأبحاث فيزياء الطاقة العالية – ونتيجة لذلك ، تم بناء العديد من التجارب في CERN من خلال التعاون الدولي. يستضيف الموقع الرئيسي في Meyrin مرفقًا كبيرًا للحوسبة ، يستخدم بشكل أساسي لتخزين وتحليل البيانات من التجارب ، فضلاً عن محاكاة الأحداث. يحتاج الباحثون إلى الوصول عن بعد إلى هذه المرافق ، لذلك كان المختبر تاريخياً مركزًا رئيسيًا لشبكة المنطقة الواسعة. CERN هي أيضًا مسقط رأس شبكة الويب العالمية.

أطلس
تم بناء أول سيكلوترون ، وهو نوع مبكر من مسرعات الجسيمات ، من قبل إرنست أو. لورانس في عام 1931 ، بنصف قطر يبلغ بضعة سنتيمترات فقط وطاقة جزيئية من 1 ميغا إلكترون فولت (MeV). منذ ذلك الحين ، نمت المعجلات بشكل كبير في سعيها لإنتاج جزيئات جديدة ذات كتلة أكبر وأكبر. كما نمت المعجلات ، وكذلك لديها قائمة الجسيمات المعروفة التي يمكن استخدامها للتحقيق. يُعرف النموذج الأكثر شمولًا لتفاعلات الجسيمات المتاحة اليوم باسم النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات.

مع استثناء هام من بوز هيجز ، الذي تم اكتشافه الآن بواسطة ATLAS وتجارب CMS ، فقد تمت ملاحظة جميع الجسيمات التي تنبأ بها النموذج من خلال التجارب السابقة. في حين أن النموذج القياسي يتنبأ بضرورة وجود الكواركات والإلكترونات والنيوترينات ، فإنه لا يفسر سبب اختلاف كتل هذه الجسيمات بأعداد كبيرة. نتيجة لهذا ، يعتقد العديد من علماء فيزياء الجسيمات أنه من الممكن أن ينهار النموذج القياسي عند الطاقات في نطاق teraelectronvolt (TeV) أو أعلى. إذا تمت ملاحظة مثل هذه الفيزياء خارج النموذج القياسي ، فيمكن تطوير نموذج جديد ، مماثل للنموذج القياسي في الطاقات التي تم بحثها حتى الآن ، لوصف فيزياء الجسيمات في الطاقات الأعلى. تتنبأ معظم النظريات المقترحة حاليًا بجزيئات جديدة أعلى الكتلة ، بعضها قد يكون خفيفًا بدرجة كافية ليتم رصده بواسطة أطلس.

تم تصميم ATLAS ليكون كاشف للأغراض العامة. عندما تتفاعل عوارض البروتون التي تنتجها مصادم هادرون الكبير في وسط الكاشف ، يتم إنتاج مجموعة متنوعة من الجزيئات المختلفة مع مجموعة واسعة من الطاقات. بدلاً من التركيز على عملية فعلية معينة ، تم تصميم ATLAS لقياس أوسع مجموعة ممكنة من الإشارات. يهدف هذا إلى التأكد من أنه بغض النظر عن الشكل الذي قد تتخذه أي عمليات أو جزيئات فيزيائية جديدة ، سيكون بإمكان أطلس اكتشافها وقياس خصائصها. صُممت التجارب على المصادمات السابقة ، مثل Tevatron و Large Electron-Positron Collider ، بناءً على فلسفة مماثلة. ومع ذلك ، فإن التحديات الفريدة لمصادم هادرون الكبير – طاقته غير المسبوقة ومعدل الاصطدام العالي للغاية – تتطلب أن يكون أطلس أكبر بكثير وأكثر تعقيدًا من التجارب السابقة.

عند محيط 27 كيلو مترًا ، يصطدم مصادم هادرون الكبير (LHC) شعاعين من البروتونات معًا ، حيث يحمل كل بروتون ما يصل إلى 6.5 طن متري من الطاقة – وهو ما يكفي لإنتاج جزيئات ذات كتل أكبر بكثير من أي جسيمات معروفة حاليًا ، إذا كانت هذه الجسيمات موجودة. تم تصميم ATLAS للكشف عن هذه الجسيمات ، أي كتلتها وزخمها وطاقاتها وعمرها وشحنها وتدورها النووية. من أجل تحديد جميع الجسيمات المنتجة عند نقطة التفاعل التي تصطدم فيها أشعة الجسيمات ، تم تصميم الكاشف في طبقات مكونة من كاشفات من أنواع مختلفة ، تم تصميم كل منها لمراقبة أنواع معينة من الجسيمات. تتيح الآثار المختلفة التي تتركها الجزيئات في كل طبقة من الكاشف تحديد الجسيمات بشكل فعال وقياسات دقيقة للطاقة والزخم. (تتم مناقشة دور كل طبقة في الكاشف أدناه). مع زيادة طاقة الجسيمات التي ينتجها المعجل ، يجب أن تنمو أجهزة الكشف المتصلة بها لقياس ووقف جزيئات الطاقة الأعلى بشكل فعال. اعتبارًا من 2017 ، يعد ATLAS أكبر كاشف تم تصنيعه على الإطلاق في مصادم للجسيمات.

برنامج الفيزياء
يبحث ATLAS في العديد من أنواع الفيزياء المختلفة التي قد تصبح قابلة للاكتشاف في التصادمات النشطة في LHC. بعض هذه التأكيدات أو قياسات محسنة للنموذج القياسي ، في حين أن العديد من الأدلة الأخرى هي أدلة محتملة للنظريات المادية الجديدة.

كان أحد أهم أهداف أطلس هو البحث عن قطعة مفقودة من النموذج القياسي ، هي بوس هيوز. آلية هيغز ، التي تشمل بوسون هيغز ، تعطي كتلة للجزيئات الأولية ، مما يؤدي إلى اختلافات بين القوة الضعيفة والكهرومغناطيسية من خلال إعطاء كتلة بوسونات W و Z مع ترك الفوتون بدون كتلة. في 4 يوليو 2012 ، أبلغت ATLAS – مع CMS ، تجربة أختها في LHC – عن دليل على وجود جسيم متوافق مع بوز Higgs بمستوى ثقة يبلغ 5 سيجما ، مع كتلة حوالي 125 GeV ، أو 133 مرة كتلة البروتون. تم اكتشاف هذا الجسيم “Higgs-like” الجديد عن طريق تحلله في فوتونين وانحلاله إلى أربعة لبتونات. في مارس 2013 ، في ضوء نتائج ATLAS و CMS المحدثة ، أعلنت CERN أن الجسيم الجديد كان بالفعل بوز Higgs. كانت التجارب قادرة أيضًا على إظهار أن خصائص الجسيم وكذلك الطرق التي يتفاعل بها مع الجسيمات الأخرى كانت متوافقة تمامًا مع خواص بوزون هيغز ، والتي من المتوقع أن تدور 0 وتماثل إيجابي. وأكد تحليل أكثر خصائص الجسيمات والبيانات التي تم جمعها في عامي 2015 و 2016 هذا أبعد من ذلك. في عام 2013 ، حصل اثنان من الفيزيائيين النظريين الذين توقعوا وجود بوزان قياسي قياسي هيجز ، وبيتر هيجز وفرانسوا إنجلرت على جائزة نوبل في الفيزياء.

كما يتم التحقيق في التباين بين سلوك المادة والمواد المضادة ، والمعروف باسم انتهاك CP. لم تكشف التجارب الحديثة المكرسة لقياسات انتهاك CP ، مثل BaBar و Belle ، عن حدوث انتهاك كافٍ للـ CP في النموذج القياسي لشرح عدم وجود مادة مضادة قابلة للاكتشاف في الكون. من الممكن أن تطرح نماذج جديدة من الفيزياء انتهاكًا إضافيًا للـ CP ، تسليط الضوء على هذه المشكلة. قد يتم اكتشاف الأدلة التي تدعم هذه النماذج مباشرة عن طريق إنتاج جزيئات جديدة ، أو بشكل غير مباشر عن طريق قياسات خواص ميزون B و D. من المحتمل أن تكون LHCb ، وهي تجربة LHC مكرسة لميزونات B ، أكثر ملاءمة للأخير.

خصائص الكوارك العلوي ، التي اكتشفت في فيرميلاب في عام 1995 ، تم قياسها حتى الآن فقط تقريبًا. مع طاقة أكبر بكثير ومعدلات تصادم أكبر ، ينتج LHC عددًا كبيرًا من الكواركات العليا ، مما يسمح لـ ATLAS بإجراء قياسات أكثر دقة لكتله وتفاعلاته مع الجسيمات الأخرى. ستوفر هذه القياسات معلومات غير مباشرة عن تفاصيل النموذج القياسي ، مع إمكانية كشف التناقضات التي تشير إلى فيزياء جديدة. سيتم إجراء قياسات دقيقة مماثلة لجزيئات معروفة أخرى ؛ على سبيل المثال ، قد يقوم ATLAS في نهاية المطاف بقياس كتلة البوصون W ضعف ما تم تحقيقه سابقًا.

إحدى النظريات التي هي موضوع الكثير من الأبحاث الحالية هي التناظر الفائق. يمكن للتناظر الفائق أن يحل عددًا من المشكلات في الفيزياء النظرية ، مثل مشاكل التسلسل الهرمي في نظرية المقياس ، وهو موجود في جميع نماذج نظرية الأوتار تقريبًا. تشتمل نماذج التناظر الفائق على جزيئات جديدة ضخمة للغاية. في كثير من الحالات ، تتحلل هذه المواد إلى كواركات ذات طاقة عالية وجزيئات ثقيلة مستقرة من غير المرجح أن تتفاعل مع المادة العادية. سوف تنجو الجسيمات المستقرة من الكاشف ، تاركة كإشارة واحدة أو أكثر من طائرات الكوارك عالية الطاقة وكمية كبيرة من الزخم “المفقود”. قد تترك جزيئات ضخمة افتراضية أخرى ، كتلك الموجودة في نظرية كالوزا-كلاين ، توقيعًا مشابهًا ، لكن اكتشافها سيشير بالتأكيد إلى وجود نوع من الفيزياء يتجاوز النموذج القياسي.

الثقوب السوداء المجهرية
تتضمن بعض الفرضيات ، استنادًا إلى نموذج ADD ، أبعادًا كبيرة كبيرة وتتوقع أن الثقوب السوداء الصغيرة يمكن أن تتشكل بواسطة المصادم LHC. سوف تتحلل هذه فورًا عن طريق إشعاع هوكينج ، وتنتج جميع الجزيئات في النموذج القياسي بأعداد متساوية وتترك توقيعًا لا لبس فيه في كاشف أطلس.

المكونات
يتكون كاشف ATLAS من سلسلة من أسطوانات متحدة المركز أكبر من أي وقت مضى حول نقطة التفاعل حيث تصادم البروتون من LHC. يمكن تقسيمها إلى أربعة أجزاء رئيسية: الكاشف الداخلي ، المسعرات ، مقياس الطيف Muon والأنظمة المغناطيسية. كل من هذه بدورها مصنوعة من طبقات متعددة. تكون المكشافات مكملة: يقوم الكاشف الداخلي بتتبع الجزيئات بدقة ، وتقيس المسعرات طاقة الجسيمات التي تم إيقافها بسهولة ، ويقوم نظام الميون بإجراء قياسات إضافية للميونات عالية الاختراق. يثبط النظامان المغناطيسيان جزيئات مشحونة في جهاز Inner Detector و Muon Spectrometer ، مما يسمح بقياس عزمهما.

والجزيئات المستقرة الوحيدة التي لا يمكن اكتشافها مباشرة هي النيوتريونات ؛ يتم استنتاج وجودها عن طريق قياس الخلل في الزخم بين الجسيمات المكتشفة. ولكي ينجح ذلك ، يجب أن يكون الكاشف “محكمًا” ، بمعنى أنه يجب أن يكتشف جميع غير النيوتريونات المنتجة ، بدون أي بقع عمياء. يمثل الحفاظ على أداء الكاشف في المناطق عالية الإشعاع التي تحيط مباشرة بحزم البروتون تحديا هندسيا هاما.

كاشف داخلي
يبدأ Inner Detector على بعد بضعة سنتيمترات من محور شعاع البروتون ، ويمتد إلى دائرة نصف قطرها 1.2 متر ، ويبلغ طوله 6.2 متر على طول أنبوب الحزمة. وتتمثل مهمتها الأساسية في تتبع الجسيمات المشحونة من خلال الكشف عن تفاعلها مع المواد في نقاط منفصلة ، والكشف عن معلومات مفصلة حول أنواع الجزيئات وزخمها. يؤدي المجال المغناطيسي المحيط بالكاشف الداخلي بأكمله إلى انحناء الجسيمات المشحونة ؛ يكشف اتجاه المنحنى عن شحنة الجسيمات وتكشف درجة الانحناء عن زخمها. نقاط بداية المسارات تعطي معلومات مفيدة لتحديد الجزيئات ؛ على سبيل المثال ، إذا بدا أن مجموعة من المسارات قد نشأت من نقطة أخرى غير تصادم البروتون – البروتون الأصلي ، فقد تكون هذه علامة على أن الجزيئات جاءت من تحلل الهدرون مع كوارك سفلي (انظر وضع العلامات ب). يتكون الكاشف الداخلي من ثلاثة أجزاء موضحة أدناه.

يحتوي Pixel Detector ، الجزء الأعمق من الكاشف ، على ثلاث طبقات متحدة المركز وثلاثة أقراص على كل غطاء نهاية ، مع ما مجموعه 1744 وحدة ، يبلغ قياس كل منها 2 سم في 6 سنتيمترات. المواد الكشف هي 250 ميكرون السيليكون السميك. تحتوي كل وحدة على 16 رقاقة قراءة ومكونات إلكترونية أخرى. أصغر وحدة يمكن قراءتها هي بكسل (50 × 400 ميكرومتر) ؛ هناك ما يقرب من 47000 بكسل لكل وحدة. تم تصميم حجم البكسل بالدقيقة لتتبع دقيق للغاية بالقرب من نقطة التفاعل. في المجموع ، يحتوي Pixel Detector على أكثر من 80 مليون قناة قراءة ، أي حوالي 50٪ من إجمالي قنوات القراءة للتجربة بأكملها. وجود مثل هذا العدد الكبير خلق تحديا كبيرا التصميم والهندسة. كان التحدي الآخر هو الإشعاع الذي يتعرض له Pixel Detector بسبب قربه من نقطة التفاعل ، مما يتطلب أن تصلب جميع المكونات الإشعاع من أجل الاستمرار في العمل بعد التعرض الكبير.

إن شبه موصل المقتفي (SCT) هو المكون الأوسط للكاشف الداخلي. إنه مشابه من حيث المفهوم والوظيفة لـ Pixel Detector ، لكن بشرائط ضيقة طويلة بدلاً من وحدات بكسل صغيرة ، مما يجعل تغطية مساحة أكبر عملية. يبلغ حجم كل شريط 80 ميكرومترًا بواقع 12 سم. إن SCT هو الجزء الأكثر أهمية من الكاشف الداخلي للتتبع الأساسي في الطائرة بشكل عمودي على الحزمة ، حيث إنه يقيس الجسيمات على مساحة أكبر بكثير من Pixel Detector ، بنقاط عينات أكثر ودقة متساوية تقريبًا (وإن كانت أحادية البعد) . يتكون من أربع طبقات مزدوجة من شرائح السيليكون ، ويحتوي على 6.3 مليون قناة قراءة ومساحة إجمالية تبلغ 61 مترًا مربعًا.

يعد جهاز تعقب الإشعاع الانتقالي (TRT) ، المكون الخارجي للكاشف الداخلي ، عبارة عن مزيج من متعقب القش وكاشف الإشعاع الانتقالي. عناصر الكشف هي أنابيب الانجراف (القش) ، قطرها أربعة ملليمترات ويصل طولها إلى 144 سم. عدم اليقين من قياسات موقف المسار (دقة الموقف) حوالي 200 ميكرومتر. هذا ليس دقيقًا كما هو الحال بالنسبة للكاشفين الآخرين ، لكن كان من الضروري تخفيض تكلفة تغطية حجم أكبر ولإمكانية اكتشاف انتقال الإشعاع. تمتلئ كل القش بالغاز الذي يتأين عندما يمر جسيم مشحون. يتم تثبيت القش في حوالي − 1500 فولت ، مما يدفع الأيونات السالبة إلى سلك ناعم أسفل مركز كل قشة ، مما ينتج نبضة (إشارة) حالية في السلك. تخلق الأسلاك ذات الإشارات نمطًا من القش “الناجح” الذي يسمح بتحديد مسار الجسيم. بين القش ، تتسبب المواد ذات مؤشرات الانكسار المتفاوتة على نطاق واسع في إنتاج جزيئات مشحونة فائقة النسبية لإنتاج إشعاع انتقالي وترك إشارات أقوى في بعض القش. يتم استخدام غاز زينون وغاز الأرجون لزيادة عدد القش مع إشارات قوية. نظرًا لأن كمية الإشعاع الانتقالي تعد أكبر بالنسبة للجزيئات النسبية للغاية (تلك التي لها سرعة قريبة جدًا من سرعة الضوء) ، ولأن جزيئات طاقة معينة لها سرعة أعلى تكون أخف وزناً ، يمكن أن تكون مسارات الجسيمات ذات الإشارات القوية جدًا تم تحديدها على أنها تنتمي إلى أخف جسيمات مشحونة: الإلكترونات والجسيمات المضادة لها ، البوزيترونات. TRT لديها حوالي 298000 القش في المجموع.

سعرات حرارية
توجد المسعرات خارج المغناطيس اللولبي المحيط بالكاشف الداخلي. والغرض منها هو قياس الطاقة من الجزيئات عن طريق امتصاصها. هناك نوعان من أنظمة المسعر الأساسية: المسعر الكهرومغناطيسي الداخلي ومسعر المسطر الخارجي الخارجي. كلاهما أخذ عينات المسعرات. أي أنها تمتص الطاقة في المعدن عالي الكثافة ، وتُختبر بشكل دوري شكل دش الجسيمات الناتج ، مستنبطًا طاقة الجسيم الأصلي من هذا القياس.

يمتص المسعر الكهرومغناطيسي (EM) الطاقة من الجسيمات التي تتفاعل الكهرومغناطيسي ، والتي تشمل الجسيمات المشحونة والفوتونات. لديها دقة عالية ، سواء في كمية الطاقة التي يتم امتصاصها أو في الموقع الدقيق للطاقة المودعة. تقاس الزاوية بين مسار الجسيم ومحور شعاع الكاشف (أو بتعبير أدق الجاذبية الكاذبة) وزاويته داخل المستوي العمودي في حدود 0.025 راديان تقريبًا. يحتوي جهاز مسعر البرميل EM على أقطاب كهربائية على شكل الأكورديون والمواد الماصة للطاقة مصنوعة من الرصاص والفولاذ الذي لا يصدأ ، مع الأرجون السائل كمواد أخذ العينات ، والمطلوب ناظم البرد حول مقياس المسعر EM للحفاظ عليه باردًا بدرجة كافية.

يمتص المسعر الهدروني الطاقة من الجسيمات التي تمر عبر مسعر EM ، لكنه يتفاعل عبر القوة القوية ؛ هذه الجزيئات هي في المقام الأول هادرون. إنها أقل دقة ، سواء من حيث حجم الطاقة أو في التوطين (ضمن حوالي 0.1 راديان فقط). المواد الممتصة للطاقة عبارة عن فولاذ ، مع بلاط لامع يعين الطاقة المودعة. يتم اختيار العديد من ميزات المسعر لفعاليتها من حيث التكلفة ؛ الأداة كبيرة وتتضمن كمية هائلة من مواد البناء: الجزء الرئيسي من المسعر – مقياس المسعر للبلاط – يبلغ قطره 8 أمتار ويغطي 12 مترًا على محور الشعاع. توجد الأجزاء البعيدة للأمام من المسعر الهدروني في ناظم البرد للمقدار الكهرمغنطيسي الأمامي ، وتستخدم الأرجون السائل أيضًا ، بينما يتم استخدام النحاس والتنغستن كامتصاص.

مطياف Muon
مقياس الطيف Muon هو نظام تتبع كبير للغاية ، ويتألف من ثلاثة أجزاء: (1) مجال مغناطيسي مقدم من ثلاثة مغناطيسات حلقية ، (2) مجموعة من 1200 غرفة تقيس بدقة المكاني بدقة عالية مسارات الميونات الخارجة ، (3) مجموعة من غرف التشغيل بدقة زمنية دقيقة. يبدأ مدى هذا الكاشف الفرعي في دائرة نصف قطرها 4.25 متر بالقرب من المسعرات خارج دائرة نصف قطرها الكامل للكاشف (11 م). مطلوب حجمها الهائل لقياس الزخم بدقة من الميونات ، والتي تذهب أولا من خلال جميع العناصر الأخرى للكاشف قبل الوصول إلى مطياف الميون. تم تصميمه لقياس ، مستقل ، الزخم من 100 ميونات GeV بدقة 3 ٪ و 1 ميونات TeV بدقة 10 ٪. كان من الأهمية بمكان الانتقال إلى أطوال تجميع مثل هذه القطعة الكبيرة من المعدات لأن عددًا من العمليات الفيزيائية المثيرة للاهتمام لا يمكن ملاحظتها إلا في حالة اكتشاف واحد أو أكثر من الميونات ، ولأنه لا يمكن قياس إجمالي الطاقة للجسيمات في حدث ما. إذا تم تجاهل الميونات. إنه يعمل بشكل مشابه لـ Inner Detector ، مع تقويس الميونات بحيث يمكن قياس زخمها ، وإن كان بتكوين مجال مغناطيسي مختلف ، ودقة مكانية أقل ، وحجم أكبر بكثير. كما أنه يخدم وظيفة تحديد الميونات ببساطة – من المتوقع أن تمر عدد قليل جدًا من جزيئات الأنواع الأخرى من خلال المسعرات وتترك الإشارات في مطياف Muon. لديها ما يقرب من مليون قناة قراءة ، وتبلغ مساحتها الإجمالية 12000 متر مربع.

نظام المغناطيس
يستخدم كاشف ATLAS نظامين مغنطيسيين كبيرين فائق التوصيل لثني الجزيئات المشحونة حتى يمكن قياس عزمهما. هذا الانحناء يرجع إلى قوة لورنتز ، والتي تتناسب مع السرعة. نظرًا لأن جميع الجسيمات المنتجة في تصادم البروتون LHC تسير بسرعة قريبة جدًا من سرعة الضوء ، فإن القوة على جزيئات مختلفة الزخم متساوية. (في نظرية النسبية ، لا يتناسب الزخم الخطي مع السرعة عند هذه السرعات.) وبالتالي فإن منحنى الزخم العالي ينحني قليلاً للغاية ، بينما منحنى الزخم المنخفض الزخم بشكل كبير ؛ يمكن قياس كمية الانحناء ويمكن تحديد زخم الجسيمات من هذه القيمة.

ينتج الملف اللولبي الداخلي مجالين مغناطيسيين تسلا يحيطان بالكاشف الداخلي. يسمح هذا المجال المغنطيسي العالي حتى للجزيئات النشطة للغاية بالانحناء بدرجة كافية لتحديد زخمها ، ويسمح اتجاهها وقوتها الموحدين تقريبًا بإجراء القياسات بدقة شديدة. سيتم تقويس الجسيمات ذات العزم الذي يقل عن 400 ميللي فولت تقريبًا بقوة بحيث تتكرر في الحقل وعلى الأرجح لن يتم قياسها ؛ ومع ذلك ، فإن هذه الطاقة صغيرة جدًا مقارنة بالعديد من TeV من الطاقة المنطلق في كل تصادم بروتون.

يتم إنتاج المجال المغنطيسي الحلقي الخارجي من خلال ثماني حلقات كبيرة جداً من البرميل الموصل بالهواء الفائق ومغناطيسين مغنطيسين حلزونيين للهواء ، وكلها تقع خارج المسعرات وداخل نظام الميون. يمتد هذا المجال المغناطيسي في مساحة 26 مترًا وقطره 20 مترًا ، ويقوم بتخزين 1.6 جيجا جول من الطاقة. مجاله المغناطيسي ليس منتظمًا ، لأن مغناطيس الملف اللولبي ذي الحجم الكافي سيكون باهظ التكلفة. وهي تتراوح بين 2 و 8 Teslameters.

أداء كاشف
تم الانتهاء من تركيب جميع أجهزة الكشف المذكورة أعلاه في أغسطس 2008. وقد جمعت أجهزة الكشف ملايين الأشعة الكونية خلال إصلاحات المغناطيس التي حدثت بين خريف عام 2008 وخريف عام 2009 ، قبل تصادمات البروتون الأولى. يعمل الكاشف بكفاءة تقارب 100٪ ويوفر خصائص أداء قريبة جدًا من قيم تصميمه.

كاشفات أمامية
يُكمل كاشف ATLAS بمجموعة من الكاشفات في المنطقة الأمامية للغاية. توجد هذه الكواشف في نفق LHC بعيدًا عن نقطة التفاعل. الفكرة الأساسية هي قياس الانتثار المرن في زوايا صغيرة جدًا من أجل إنتاج قياسات أفضل لللمعان المطلق عند نقطة التفاعل ATLAS.

نظم البيانات وتحليلها
يولِّد الكاشف كميات كبيرة من البيانات الخام بشكل لا يمكن التحكم فيه: حوالي 25 ميغابايت لكل حدث (خام ؛ يقلل قمع الصفر هذا إلى 1.6 ميجابايت) ، مضروبًا بـ 40 مليون حزمة شعاع في الثانية في وسط الكاشف. هذا ينتج ما مجموعه 1 بايت من البيانات الخام في الثانية الواحدة. يستخدم نظام المشغل معلومات بسيطة لتحديد الأحداث الأكثر إثارة للاهتمام في الوقت الفعلي للاحتفاظ بها لتحليلها المفصل. هناك ثلاثة مستويات الزناد. الأول يعتمد على الإلكترونيات على الكاشف بينما يعمل الآخران بشكل أساسي على مجموعة كمبيوتر كبيرة بالقرب من الكاشف. يختار المشغل من المستوى الأول حوالي 100،000 حدث في الثانية. بعد تطبيق مستوى الزناد الثالث ، تبقى بضع مئات من الأحداث لتخزينها لمزيد من التحليل. لا يزال يتطلب مقدار البيانات هذا أكثر من 100 ميغابايت من مساحة القرص في الثانية – على الأقل بيتابايت كل عام.

استندت أنظمة القراءة والكشف عن الأحداث السابقة للكشف عن الجسيمات إلى حافلات مشتركة متوازية مثل VMEbus أو FASTBUS. نظرًا لأن بنية الحافلة هذه لا تستطيع مواكبة متطلبات البيانات الخاصة بتجارب LHC ، تعتمد جميع مقترحات نظام الحصول على البيانات على ارتباطات فائقة السرعة من نقطة إلى نقطة وشبكات التحويل. قام الأشخاص الذين يصممون تجارب LHC بتقييم العديد من هذه الشبكات ، بما في ذلك وضع النقل غير المتزامن والواجهة القابلة للتحجيم القابلة للتوسيع والقناة الليفية والإيثرنت و IEEE 1355 (SpaceWire).

يتم إجراء إعادة بناء الحدث دون اتصال على جميع الأحداث المخزنة بشكل دائم ، مما يحول نمط الإشارات من الكاشف إلى كائنات فيزيائية ، مثل الطائرات والفوتونات واللبتونات. تستخدم الحوسبة الشبكية على نطاق واسع لإعادة بناء الأحداث ، مما يتيح الاستخدام المتوازي لشبكات الكمبيوتر في الجامعات والمعامل في جميع أنحاء العالم للقيام بمهمة وحدة المعالجة المركزية المكثفة المتمثلة في تقليل كميات كبيرة من البيانات الخام إلى شكل مناسب لتحليل الفيزياء. كان برنامج هذه المهام قيد التطوير لسنوات عديدة ، وسيستمر تحسينه حتى الآن بعد أن قامت التجربة بجمع البيانات.

يقوم الأفراد والمجموعات ضمن التعاون بكتابة التعليمات البرمجية الخاصة بهم لإجراء مزيد من التحليل لهذه الكائنات ، والبحث في أنماط الجسيمات المكتشفة عن نماذج فيزيائية معينة أو جزيئات افتراضية.

Tags: