ATLAS-Experiment, CERN, Genf, Schweiz

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) ist eines von sieben Partikeldetektorversuchen, die am Large Hadron Collider (LHC), einem Teilchenbeschleuniger am CERN (der Europäischen Organisation für Kernforschung) in der Schweiz, konstruiert wurden. Das Experiment soll die beispiellose Energie nutzen, die am LHC zur Verfügung steht, und Phänomene beobachten, bei denen hochmassige Teilchen beteiligt sind, die mit früheren Beschleunigern mit niedrigerer Energie nicht beobachtet werden konnten. ATLAS war eines der zwei LHC-Experimente, die im Juli 2012 an der Entdeckung des Higgs-Bosons beteiligt waren. Es war auch für die Suche nach Theorien der Teilchenphysik jenseits des Standardmodells gedacht.

Der ATLAS-Detektor ist 46 Meter lang, hat einen Durchmesser von 25 Metern und wiegt etwa 7.000 Tonnen. Es enthält etwa 3000 km Kabel. Das Experiment ist eine Kollaboration mit rund 3.000 Physikern aus über 175 Institutionen in 38 Ländern. Das Projekt wurde in den ersten 15 Jahren von Peter Jenni geleitet, zwischen 2009 und 2013 wurde es von Fabiola Gianotti geleitet, von 2013 bis 2017 von David Charlton und anschließend von Karl Jakobs.

CERN
Die Europäische Organisation für Kernforschung (französisch: Organisation européenne pour la recherche nucléaire), bekannt als CERN (abgeleitet vom Namen Conseil européen pour la recherche nucléaire), ist eine europäische Forschungsorganisation betreibt das größte Teilchenphysiklabor der Welt. Die Organisation wurde 1954 gegründet und hat ihren Sitz in einem nordwestlichen Vorort von Genf an der französisch-schweizerischen Grenze. Sie umfasst 23 Mitgliedstaaten. Israel ist das einzige nichteuropäische Land, dem Vollmitgliedschaft gewährt wird. CERN ist offizieller Beobachter der Vereinten Nationen.

Das Akronym CERN wird auch verwendet, um auf das Labor hinzuweisen, das 2016 2.500 wissenschaftliche, technische und administrative Mitarbeiter hatte und ungefähr 12.000 Benutzer beherbergte. Im selben Jahr erzeugte das CERN 49 Petabytes an Daten.

Die Hauptaufgabe des CERN besteht darin, die Teilchenbeschleuniger und andere Infrastruktur bereitzustellen, die für die Forschung in der Hochenergiephysik benötigt werden. Daher wurden am CERN zahlreiche Experimente im Rahmen internationaler Kooperationen aufgebaut. Der Hauptstandort in Meyrin beherbergt eine große Rechenanlage, in der hauptsächlich Daten aus Experimenten gespeichert und analysiert sowie Ereignisse simuliert werden. Forscher benötigen Fernzugriff auf diese Einrichtungen, sodass das Labor in der Vergangenheit ein bedeutender Netzwerkknotenpunkt für ein großes Netzwerk war. Das CERN ist auch der Geburtsort des World Wide Web.

ATLAS
Das erste Zyklotron, ein früher Typ von Teilchenbeschleuniger, wurde 1931 von Ernest O. Lawrence mit einem Radius von wenigen Zentimetern und einer Teilchenenergie von 1 Megaelektronenvolt (MeV) gebaut. Seitdem sind Beschleuniger auf der Suche nach neuen Partikeln mit immer größerer Masse enorm gewachsen. Mit dem Anwachsen von Beschleunigern wächst auch die Liste der bekannten Teilchen, mit denen sie untersucht werden könnten. Das umfassendste derzeit verfügbare Modell für Teilchenwechselwirkungen ist als Standardmodell für Teilchenphysik bekannt.

Mit der wichtigen Ausnahme des Higgs-Bosons, die jetzt von den ATLAS- und den CMS-Experimenten nachgewiesen wurde, waren alle vom Modell vorhergesagten Teilchen in früheren Experimenten beobachtet worden. Das Standardmodell sagt zwar voraus, dass Quarks, Elektronen und Neutrinos existieren sollten, aber es erklärt nicht, warum sich die Massen dieser Teilchen um Größenordnungen unterscheiden. Aufgrund dessen glauben viele Teilchenphysiker, dass das Standardmodell möglicherweise bei Energien auf der Teraelektronvolt (TeV) -Skala oder höher zusammenbricht. Wenn eine solche Physik jenseits des Standardmodells beobachtet wird, kann ein neues Modell entwickelt werden, das bei bisher untersuchten Energien mit dem Standardmodell identisch ist, um die Teilchenphysik bei höheren Energien zu beschreiben. Die meisten der derzeit vorgeschlagenen Theorien sagen neue Partikel mit höherer Masse voraus, von denen einige leicht genug sind, um von ATLAS beobachtet zu werden.

ATLAS ist als Allzweckdetektor konzipiert. Wenn die Protonenstrahlen, die vom Large Hadron Collider erzeugt werden, im Zentrum des Detektors interagieren, werden verschiedene Partikel mit einem breiten Energiebereich erzeugt. Anstatt sich auf einen bestimmten physikalischen Prozess zu konzentrieren, ist ATLAS darauf ausgelegt, ein möglichst breites Spektrum an Signalen zu messen. Damit soll sichergestellt werden, dass ATLAS in jeder Form, in der sich neue physikalische Prozesse oder Partikel befinden, diese erkennen und ihre Eigenschaften messen kann. Experimente an früheren Kollidern wie dem Tevatron und dem Large Electron-Positron Collider wurden nach einer ähnlichen Philosophie entworfen. Aufgrund der einzigartigen Herausforderungen des Large Hadron Collider – seiner beispiellosen Energie und der extrem hohen Kollisionsrate – muss ATLAS jedoch wesentlich größer und komplexer sein als frühere Experimente.

Bei einem Umkreis von 27 Kilometern kollidiert der Large Hadron Collider (LHC) zwei Protonenstrahlen. Jedes Proton trägt bis zu 6,5 TeV an Energie – genug, um Partikel mit wesentlich größeren Massen zu erzeugen als alle derzeit bekannten Partikel, falls diese Partikel vorhanden sind. ATLAS ist darauf ausgelegt, diese Partikel, nämlich ihre Massen, ihren Impuls, ihre Energien, ihre Lebensdauer, ihre Ladungen und ihre Kernspins zu erfassen. Um alle am Wechselwirkungspunkt erzeugten Teilchen zu identifizieren, an denen die Teilchenstrahlen kollidieren, ist der Detektor in Schichten aufgebaut, die aus Detektoren verschiedener Typen bestehen, von denen jede dazu bestimmt ist, bestimmte Arten von Teilchen zu beobachten. Die unterschiedlichen Spuren, die Partikel in jeder Schicht des Detektors hinterlassen, ermöglichen eine effektive Partikelidentifikation und genaue Messungen von Energie und Impuls. (Die Rolle jeder Schicht im Detektor wird unten erläutert.) Wenn die Energie der vom Beschleuniger erzeugten Partikel zunimmt, müssen die daran angebrachten Detektoren wachsen, um Partikel mit höherer Energie effektiv messen und stoppen zu können. Ab 2017 ist ATLAS der größte Detektor, der jemals in einem Partikelkollider gebaut wurde.

Physik-Programm
ATLAS untersucht viele verschiedene Arten von Physik, die bei den energetischen Kollisionen des LHC nachweisbar werden könnten. Einige davon sind Bestätigungen oder verbesserte Messungen des Standardmodells, während viele andere Anhaltspunkte für neue physikalische Theorien sind.

Eines der wichtigsten Ziele von ATLAS bestand darin, ein fehlendes Stück des Standardmodells, das Higgs-Boson, zu untersuchen. Der Higgs-Mechanismus, der das Higgs-Boson einschließt, gibt den Elementarteilchen Masse, was zu Unterschieden zwischen der schwachen Kraft und dem Elektromagnetismus führt, indem die W- und Z-Bosonen-Masse gegeben wird, während das Photon masselos bleibt. Am 4. Juli 2012 berichtete ATLAS zusammen mit CMS, seinem Schwesterexperiment am LHC, über die Existenz eines mit dem Higgs-Boson übereinstimmenden Partikels bei einem Konfidenzniveau von 5 Sigma mit einer Masse von etwa 125 GeV oder 133-fach die Protonenmasse. Dieses neue “Higgs-artige” Teilchen wurde durch seinen Zerfall in zwei Photonen und seinen Zerfall in vier Leptonen nachgewiesen. Im März 2013 kündigte CERN vor dem Hintergrund der aktualisierten Ergebnisse von ATLAS und CMS an, dass es sich bei dem neuen Partikel tatsächlich um ein Higgs-Boson handelt. Die Experimente konnten auch zeigen, dass die Eigenschaften des Partikels sowie die Art und Weise, wie es mit anderen Partikeln interagiert, gut mit denen eines Higgs-Bosons übereinstimmen, von dem erwartet wird, dass es Spin 0 und eine positive Parität hat. Die Analyse weiterer Eigenschaften der Partikel und der in den Jahren 2015 und 2016 gesammelten Daten hat dies weiter bestätigt. Im Jahr 2013 erhielten zwei der theoretischen Physiker, die die Existenz des Standardmodell Higgs-Bosons prognostizierten, Peter Higgs und François Englert, den Nobelpreis für Physik.

Die Asymmetrie zwischen dem Verhalten von Materie und Antimaterie, bekannt als CP-Verletzung, wird ebenfalls untersucht. Kürzlich durchgeführte Experimente zur Messung von CP-Verletzungen wie BaBar und Belle haben im Standardmodell keine ausreichende CP-Verletzung festgestellt, um den Mangel an nachweisbarer Antimaterie im Universum zu erklären. Es ist möglich, dass neue Physikmodelle zusätzliche CP-Verletzungen einführen, die das Problem beleuchten. Beweise, die diese Modelle unterstützen, könnten entweder direkt durch die Produktion neuer Teilchen oder indirekt durch Messungen der Eigenschaften von B- und D-Mesonen nachgewiesen werden. LHCb, ein LHC-Experiment, das für B-Mesonen bestimmt ist, dürfte für letztere besser geeignet sein.

Die Eigenschaften des Top-Quarks, das 1995 in Fermilab entdeckt wurde, wurden bisher nur annähernd gemessen. Mit viel höherer Energie und größeren Kollisionsraten erzeugt der LHC eine enorme Anzahl von Top-Quarks, sodass ATLAS seine Masse und Wechselwirkungen mit anderen Partikeln viel genauer messen kann. Diese Messungen liefern indirekte Informationen zu den Details des Standardmodells mit der Möglichkeit, Inkonsistenzen aufzuzeigen, die auf eine neue Physik hinweisen. Ähnliche Präzisionsmessungen werden an anderen bekannten Partikeln vorgenommen; Beispielsweise kann ATLAS schließlich die Masse des W-Bosons doppelt so genau messen, wie es zuvor erreicht wurde.

Eine Theorie, die Gegenstand vieler aktueller Forschungen ist, ist die Supersymmetrie. Supersymmetrie kann möglicherweise eine Reihe von Problemen in der theoretischen Physik lösen, z. B. die Hierarchieprobleme in der Eichlehre, und ist in fast allen Modellen der Stringtheorie vorhanden. Modelle der Supersymmetrie beinhalten neue hochmassive Teilchen. In vielen Fällen zerfallen diese in hochenergetische Quarks und stabile schwere Teilchen, die sehr wahrscheinlich nicht mit normaler Materie interagieren. Die stabilen Teilchen würden aus dem Detektor austreten und als Signal einen oder mehrere Hochenergie-Quarkstrahlen und einen großen Anteil an “fehlendem” Impuls hinterlassen. Andere hypothetische massive Teilchen, wie die in der Kaluza-Klein-Theorie, könnten eine ähnliche Signatur hinterlassen, aber ihre Entdeckung würde sicherlich bedeuten, dass es eine Art Physik außerhalb des Standardmodells gab.

Mikroskopische Schwarze Löcher
Einige auf dem ADD-Modell basierende Hypothesen beinhalten große zusätzliche Dimensionen und sagen voraus, dass schwarze Mikrolöcher durch den LHC gebildet werden könnten. Diese würden durch Hawking-Strahlung sofort zerfallen, alle Partikel im Standardmodell in gleicher Anzahl erzeugen und eine eindeutige Signatur im ATLAS-Detektor hinterlassen.

Komponenten
Der ATLAS-Detektor besteht aus einer Reihe von immer größeren konzentrischen Zylindern um den Wechselwirkungspunkt, an denen die Protonenstrahlen des LHC kollidieren. Es kann in vier Hauptteile unterteilt werden: den inneren Detektor, die Kalorimeter, das Muon-Spektrometer und die Magnetsysteme. Jede von diesen besteht wiederum aus mehreren Schichten. Die Detektoren sind komplementär: Der Innere Detektor erfasst Partikel präzise, ​​die Kalorimeter messen die Energie von leicht zu haltenden Partikeln, und das Myonsystem führt zusätzliche Messungen von stark durchdringenden Myonen durch. Die beiden Magnetsysteme biegen geladene Teilchen im Inneren des Detektors und des Muon-Spektrometers, sodass deren Moment gemessen werden kann.

Die einzigen etablierten stabilen Teilchen, die nicht direkt nachgewiesen werden können, sind Neutrinos; Ihr Vorhandensein wird durch Messung eines Impulsungleichgewichts zwischen detektierten Teilchen abgeleitet. Damit dies funktioniert, muss der Detektor “hermetisch” sein, das heißt, er muss alle produzierten Nicht-Neutrinos ohne blinde Flecken erkennen. Die Aufrechterhaltung der Detektorleistung in den Bereichen mit hoher Strahlung, die die Protonenstrahlen unmittelbar umgeben, ist eine große technische Herausforderung.

Innerer Detektor
Der innere Detektor beginnt wenige Zentimeter von der Protonenstrahlachse entfernt, erstreckt sich bis zu einem Radius von 1,2 Metern und ist entlang des Strahlrohrs 6,2 Meter lang. Seine grundlegende Funktion besteht darin, geladene Teilchen zu verfolgen, indem sie ihre Wechselwirkung mit dem Material an diskreten Punkten erkennen und detaillierte Informationen über die Arten von Teilchen und ihren Impuls aufdecken. Das Magnetfeld, das den gesamten inneren Detektor umgibt, bewirkt, dass sich geladene Teilchen krümmen. Die Richtung der Kurve zeigt die Ladung eines Teilchens und der Krümmungsgrad zeigt seinen Impuls. Die Startpunkte der Tracks liefern nützliche Informationen zur Identifizierung von Partikeln; Wenn zum Beispiel eine Gruppe von Tracks scheinbar von einem anderen Punkt als der ursprünglichen Proton-Proton-Kollision stammt, kann dies ein Zeichen dafür sein, dass die Partikel aus dem Zerfall eines Hadrons mit einem Bottom-Quark stammen (siehe b-tagging). Der innere Detektor besteht aus drei Teilen, die im Folgenden erklärt werden.

Der Pixeldetektor, der innerste Teil des Detektors, enthält drei konzentrische Schichten und drei Scheiben an jeder Endkappe mit insgesamt 1.744 Modulen, die jeweils 2 cm x 6 cm messen. Das Detektionsmaterial besteht aus 250 um dickem Silizium. Jedes Modul enthält 16 Auslesechips und andere elektronische Komponenten. Die kleinste Einheit, die ausgelesen werden kann, ist ein Pixel (50 x 400 Mikrometer); Es gibt ungefähr 47.000 Pixel pro Modul. Die winzige Pixelgröße ist für extrem genaue Verfolgung sehr nahe am Interaktionspunkt ausgelegt. Insgesamt verfügt der Pixeldetektor über 80 Millionen Auslesekanäle, was ungefähr 50% der gesamten Auslesekanäle des gesamten Experiments entspricht. Eine derart große Anzahl zu schaffen, stellte eine beträchtliche Herausforderung in Bezug auf Design und Konstruktion dar. Eine weitere Herausforderung war die Strahlung, der der Pixeldetektor aufgrund seiner Nähe zum Wechselwirkungspunkt ausgesetzt ist. Daher müssen alle Komponenten strahlungsgehärtet sein, um nach erheblichen Belastungen weiterarbeiten zu können.

Der Halbleiter-Tracker (SCT) ist die mittlere Komponente des inneren Detektors. Das Konzept und die Funktion ähneln dem Pixeldetektor, jedoch mit langen, schmalen Streifen anstelle von kleinen Pixeln, wodurch die Abdeckung eines größeren Bereichs praktisch ist. Jeder Streifen misst 80 Mikrometer mal 12 Zentimeter. Der SCT ist der kritischste Teil des inneren Detektors für die grundlegende Nachführung in der Ebene senkrecht zum Strahl, da er Partikel über einen viel größeren Bereich als den Pixeldetektor mit mehr Abtastpunkten und ungefähr gleicher (wenn auch eindimensionaler) Genauigkeit misst . Es besteht aus vier doppelten Schichten aus Siliziumstreifen und verfügt über 6,3 Millionen Auslesekanäle und eine Gesamtfläche von 61 Quadratmetern.

Der Transition Radiation Tracker (TRT), die äußerste Komponente des inneren Detektors, ist eine Kombination aus einem Straw Tracker und einem Übergangsstrahlungsdetektor. Die Erkennungselemente sind Drift-Tubes (Strohhalme) mit jeweils vier Millimetern Durchmesser und bis zu 144 Zentimeter Länge. Die Unsicherheit bei Messungen der Spurposition (Positionsauflösung) beträgt etwa 200 Mikrometer. Dies ist nicht so präzise wie bei den beiden anderen Detektoren, aber es war notwendig, die Kosten für die Abdeckung eines größeren Volumens zu reduzieren und die Fähigkeit zur Erfassung der Übergangsstrahlung zu haben. Jedes Strohhalm ist mit Gas gefüllt, das beim Durchgang eines geladenen Teilchens ionisiert wird. Die Strohhalme werden auf etwa -1.500 V gehalten und treiben die negativen Ionen in der Mitte jedes Strohhalms zu einem feinen Draht, wodurch ein Stromimpuls (Signal) im Draht erzeugt wird. Die Drähte mit Signalen erzeugen ein Muster von “getroffenen” Strohhalmen, mit denen der Weg des Partikels bestimmt werden kann. Zwischen den Strohhalmen führen Materialien mit stark unterschiedlichen Brechungsindizes dazu, dass ultrarelativistische geladene Teilchen Übergangsstrahlung erzeugen und in einigen Strohhalmen viel stärkere Signale hinterlassen. Xenon- und Argongas wird verwendet, um die Anzahl der Strohhalme mit starken Signalen zu erhöhen. Da die Menge der Übergangsstrahlung für stark relativistische Teilchen (mit einer Geschwindigkeit sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit) am größten ist, und weil Teilchen einer bestimmten Energie eine höhere Geschwindigkeit haben, je leichter sie sind, können Teilchenwege mit vielen sehr starken Signalen sein Zu den am leichtesten geladenen Teilchen gehörend: Elektronen und ihre Antiteilchen, Positronen. Die TRT hat insgesamt etwa 298.000 Strohhalme.

Kalorimeter
Die Kalorimeter befinden sich außerhalb des Magneten, der den Inneren Detektor umgibt. Ihr Zweck ist es, die Energie von Partikeln durch Absorption zu messen. Es gibt zwei grundlegende Kalorimetersysteme: ein inneres elektromagnetisches Kalorimeter und ein äußeres Hadronik-Kalorimeter. Beide sind Probenkalorimeter; Das heißt, sie absorbieren Energie in Metall hoher Dichte und prüfen periodisch die Form der resultierenden Partikeldusche, woraus sich die Energie des ursprünglichen Partikels aus dieser Messung ableitet.

Das elektromagnetische (EM) Kalorimeter absorbiert Energie von elektromagnetisch wechselwirkenden Teilchen, zu denen geladene Teilchen und Photonen gehören. Es hat eine hohe Präzision, sowohl in der Menge der aufgenommenen Energie als auch in der genauen Position der abgelagerten Energie. Der Winkel zwischen der Flugbahn des Partikels und der Strahlachse des Detektors (oder genauer der Pseudorapidität) und sein Winkel innerhalb der senkrechten Ebene werden beide im Bereich von etwa 0,025 Radiant gemessen. Das EM-Kalorimeter des Fasses besitzt ziehharmonikaförmige Elektroden, und die energieabsorbierenden Materialien sind Blei und Edelstahl mit flüssigem Argon als Probenahmematerial. Um das EM-Kalorimeter herum ist ein Kryostat erforderlich, um ausreichend kühl zu bleiben.

Das Hadron-Kalorimeter absorbiert Energie von Partikeln, die das EM-Kalorimeter passieren, aber über die starke Kraft interagieren. Diese Teilchen sind hauptsächlich Hadronen. Es ist weniger genau, sowohl in Bezug auf die Energiemenge als auch in der Lokalisierung (nur innerhalb von 0,1 Radiant). Das energieabsorbierende Material ist Stahl mit funkelnden Fliesen, die die abgelagerte Energie abtasten. Viele der Merkmale des Kalorimeters werden aufgrund ihrer Wirtschaftlichkeit ausgewählt. Das Instrument ist groß und umfasst eine riesige Menge an Baumaterial: Der Hauptteil des Kalorimeters – das Fliesenkalorimeter – hat einen Durchmesser von 8 Metern und erstreckt sich entlang der Balkenachse von 12 Metern. Die weit nach vorne gerichteten Abschnitte des hadronischen Kalorimeters befinden sich im Kryostat des vorwärts gerichteten EM-Kalorimeters und verwenden ebenfalls flüssiges Argon, während Kupfer und Wolfram als Absorber verwendet werden.

Muon-Spektrometer
Das Muon-Spektrometer ist ein extrem großes Tracking-System, das aus drei Teilen besteht: (1) einem Magnetfeld, das von drei Ringmagneten bereitgestellt wird, (2) einem Satz von 1200 Kammern, die die Spuren der ausgehenden Myonen mit hoher räumlicher Genauigkeit messen, (3) eine Reihe von Auslösekammern mit genauer Zeitauflösung. Die Ausdehnung dieses Unterdetektors beginnt bei einem Radius von 4,25 m in der Nähe der Kalorimeter bis zum vollen Radius des Detektors (11 m). Seine enorme Größe ist erforderlich, um den Impuls von Myonen genau zu messen, die zuerst alle anderen Elemente des Detektors durchlaufen, bevor sie das Myonen-Spektrometer erreichen. Es wurde entwickelt, um den Impuls von 100 GeV-Myonen mit einer Genauigkeit von 3% und von 1 TeV-Myonen mit einer Genauigkeit von 10% zu messen. Es war von entscheidender Bedeutung, so viele Geräte zusammenzubauen, da eine Reihe interessanter physikalischer Prozesse nur beobachtet werden kann, wenn eine oder mehrere Myonen entdeckt werden, und weil die Gesamtenergie der Teilchen in einem Ereignis nicht gemessen werden konnte wenn die Myonen ignoriert wurden. Es funktioniert ähnlich wie der innere Detektor, wobei die Myonen so gekrümmt sind, dass ihr Impuls gemessen werden kann, wenn auch mit einer anderen Magnetfeldkonfiguration, geringerer räumlicher Genauigkeit und einem viel größeren Volumen. Es dient auch dazu, einfach Myonen zu identifizieren. Es wird erwartet, dass nur sehr wenige Partikel eines anderen Typs die Kalorimeter passieren und anschließend Signale im Myonenspektrometer hinterlassen. Es hat ungefähr eine Million Auslesekanäle und seine Detektorschichten haben eine Gesamtfläche von 12.000 Quadratmetern.

Magnetsystem
Der ATLAS-Detektor verwendet zwei große supraleitende Magnetsysteme, um geladene Teilchen so zu biegen, dass deren Moment gemessen werden kann. Diese Verbiegung ist auf die Lorentzkraft zurückzuführen, die proportional zur Geschwindigkeit ist. Da alle Teilchen, die bei den Proton-Kollisionen des LHC erzeugt werden, sich sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit bewegen, ist die Kraft auf Teilchen mit unterschiedlichem Moment gleich. (In der Relativitätstheorie ist der Impuls bei solchen Geschwindigkeiten nicht linear proportional zur Geschwindigkeit.) Daher sind die Teilchen mit hohem Impuls sehr wenig gekrümmt, während die Teilchen mit niedrigem Impuls signifikant gekrümmt sind; Der Krümmungsbetrag kann quantifiziert werden und der Teilchenimpuls kann aus diesem Wert bestimmt werden.

Der innere Magnet erzeugt ein zwei Tesla-Magnetfeld, das den inneren Detektor umgibt. Durch dieses hohe Magnetfeld können sich auch sehr energiereiche Teilchen so stark krümmen, dass ihr Impuls bestimmt werden kann. Dank ihrer nahezu gleichförmigen Richtung und Stärke können Messungen sehr präzise durchgeführt werden. Teilchen mit einem Moment unterhalb von etwa 400 MeV werden so stark gekrümmt, dass sie wiederholt im Feld eine Schleife bilden und höchstwahrscheinlich nicht gemessen werden. Diese Energie ist jedoch sehr klein im Vergleich zu den bei jeder Protonenkollision freigesetzten TeV.

Das äußere toroidale Magnetfeld wird von acht sehr großen supraleitenden Kernkernschleifen und zwei Endkappen-Luft-Ringkernmagneten erzeugt, die sich alle außerhalb der Kalorimeter und innerhalb des Myonsystems befinden. Dieses Magnetfeld erstreckt sich über eine Fläche von 26 Metern Länge und 20 Metern Durchmesser und speichert 1,6 Gigajoule Energie. Sein Magnetfeld ist nicht gleichförmig, da ein Solenoidmagnet mit ausreichender Größe unerschwinglich teuer wäre. Sie variiert zwischen 2 und 8 Teslameters.

Detektorleistung
Die Installation aller oben genannten Detektoren wurde im August 2008 abgeschlossen. Die Detektoren sammelten während der Magnetreparaturen, die zwischen Herbst 2008 und Herbst 2009 vor den ersten Protonenkollisionen stattfanden, Millionen von kosmischen Strahlen. Der Detektor arbeitete mit einem Wirkungsgrad von nahezu 100% und lieferte Leistungseigenschaften, die den Designwerten sehr nahe kamen.

Vorwärtsdetektoren
Der ATLAS-Detektor wird durch eine Reihe von Detektoren im Vorwärtsbereich ergänzt. Diese Detektoren befinden sich im LHC-Tunnel weit weg vom Interaktionspunkt. Die Grundidee besteht darin, die elastische Streuung in sehr kleinen Winkeln zu messen, um bessere Messungen der absoluten Leuchtkraft am ATLAS-Interaktionspunkt zu erhalten.

Datensysteme und Analyse
Der Detektor erzeugt unüberschaubar große Mengen an Rohdaten: etwa 25 Megabytes pro Ereignis (unbehandelt; Nullunterdrückung reduziert diese Zahl auf 1,6 MB), multipliziert mit 40 Millionen Strahlenkreuzungen pro Sekunde in der Mitte des Detektors. Dies ergibt insgesamt 1 Petabyte Rohdaten pro Sekunde. Das Auslösesystem verwendet einfache Informationen, um in Echtzeit die interessantesten Ereignisse zu identifizieren, die für eine detaillierte Analyse aufbewahrt werden sollen. Es gibt drei Auslösewerte. Die erste basiert elektronisch auf dem Detektor, während die anderen beiden hauptsächlich auf einem großen Computercluster in der Nähe des Detektors laufen. Der Auslöser der ersten Ebene wählt ungefähr 100.000 Ereignisse pro Sekunde aus. Nachdem der Trigger der dritten Ebene angewendet wurde, müssen noch einige hundert Ereignisse für die weitere Analyse gespeichert werden. Diese Datenmenge erfordert immer noch mehr als 100 MB Festplattenspeicher pro Sekunde – mindestens ein Petabyte pro Jahr.

Frühere Auslesungs- und Ereigniserkennungssysteme für Partikeldetektoren basierten auf parallelen, gemeinsam genutzten Bussen wie VMEbus oder FASTBUS. Da eine solche Busarchitektur nicht mit den Datenanforderungen der LHC-Experimente mithalten kann, sind alle Vorschläge des Datenerfassungssystems auf schnelle Punkt-zu-Punkt-Verbindungen und Vermittlungsnetze angewiesen. Personen, die an den LHC-Experimenten arbeiteten, bewerteten mehrere solcher Netzwerke, darunter den asynchronen Übertragungsmodus, die skalierbare kohärente Schnittstelle, Fibre Channel, Ethernet und IEEE 1355 (SpaceWire).

Die Offline-Ereignisrekonstruktion wird für alle dauerhaft gespeicherten Ereignisse ausgeführt, wodurch das Signalmuster des Detektors in physikalische Objekte wie Jets, Photonen und Leptonen umgewandelt wird. Grid-Computing wird häufig für die Rekonstruktion von Ereignissen eingesetzt und ermöglicht die parallele Nutzung von Computernetzwerken von Universitäten und Labors auf der ganzen Welt für die CPU-intensive Aufgabe, große Mengen an Rohdaten in eine für die Physikanalyse geeignete Form zu bringen. Die Software für diese Aufgaben befindet sich seit vielen Jahren in der Entwicklung und wird auch dann noch verfeinert, wenn das Experiment Daten sammelt.

Einzelpersonen und Gruppen innerhalb der Kollaboration schreiben ihren eigenen Code, um eine weitere Analyse dieser Objekte durchzuführen und die Muster erfasster Teilchen nach bestimmten physikalischen Modellen oder hypothetischen Teilchen zu durchsuchen.

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