Expérience ATLAS, CERN, Genève, Suisse

ATLAS (Un appareil LHC toroïdal) est l’une des sept expériences de détecteur de particules construites au Grand collisionneur de hadrons (LHC), un accélérateur de particules du CERN (Organisation européenne pour la recherche nucléaire) en Suisse. L’expérience est conçue pour tirer parti de l’énergie sans précédent disponible au LHC et observer des phénomènes impliquant des particules très massives qui n’étaient pas observables à l’aide d’accélérateurs antérieurs à plus basse énergie. ATLAS était l’une des deux expériences LHC impliquées dans la découverte du boson de Higgs en juillet 2012. Il avait également été conçu pour rechercher des preuves de théories de la physique des particules allant au-delà du modèle standard.

Le détecteur ATLAS mesure 46 mètres de long, 25 mètres de diamètre et pèse environ 7 000 tonnes; il contient environ 3000 km de câble. L’expérience est une collaboration impliquant environ 3 000 physiciens de plus de 175 institutions dans 38 pays. Le projet a été dirigé pendant 15 ans par Peter Jenni. Entre 2009 et 2013, il était dirigé par Fabiola Gianotti, de 2013 à 2017 par David Charlton, puis par Karl Jakobs.

CERN
L’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, connue sous le nom de CERN (dérivé du nom du Conseil européen pour la recherche nucléaire), est un organisme de recherche européen qui exploite le plus grand laboratoire de physique des particules du monde. Fondée en 1954, l’organisation est basée dans une banlieue nord-ouest de Genève, à la frontière franco-suisse, et compte 23 États membres. Israël est le seul pays non européen à avoir obtenu la qualité de membre à part entière. Le CERN est un observateur officiel des Nations Unies.

L’acronyme CERN désigne également le laboratoire, qui comptait 2 500 collaborateurs scientifiques, techniques et administratifs en 2016 et qui hébergeait environ 12 000 utilisateurs. La même année, le CERN a généré 49 pétaoctets de données.

La principale fonction du CERN est de fournir les accélérateurs de particules et autres infrastructures nécessaires à la recherche en physique des hautes énergies. De nombreuses expériences ont ainsi été construites au CERN grâce à des collaborations internationales. Le site principal de Meyrin héberge une grande installation informatique, principalement utilisée pour stocker et analyser des données d’expériences, ainsi que pour simuler des événements. Les chercheurs ont besoin d’un accès à distance à ces installations. Le laboratoire a donc toujours été un important hub de réseau étendu. Le CERN est également le lieu de naissance du World Wide Web.

ATLAS
Le premier cyclotron, un des premiers types d’accélérateurs de particules, a été construit par Ernest O. Lawrence en 1931, avec un rayon de quelques centimètres et une énergie particulaire de 1 mégaélectronvolt (MeV). Depuis lors, les accélérateurs se sont énormément développés pour produire de nouvelles particules de plus en plus grandes. À mesure que les accélérateurs se sont multipliés, la liste des particules connues sur lesquelles ils pourraient être utilisés a également augmenté. Le modèle d’interaction entre particules le plus complet disponible à ce jour est connu sous le nom de modèle standard de la physique des particules.

À l’exception du boson de Higgs, maintenant détecté par les expériences ATLAS et CMS, toutes les particules prédites par le modèle avaient été observées lors d’expériences antérieures. Alors que le modèle standard prédit l’existence de quarks, d’électrons et de neutrinos, il n’explique pas pourquoi les masses de ces particules diffèrent par ordres de grandeur. Pour cette raison, de nombreux physiciens des particules pensent qu’il est possible que le modèle standard se décompose à des énergies égales ou supérieure à l’échelle du teraelectronvolt (TeV). Si cette physique au-delà du modèle standard est observée, un nouveau modèle, identique au modèle standard pour les énergies sondées jusqu’à présent, peut être développé pour décrire la physique des particules à des énergies plus élevées. La plupart des théories actuellement proposées prédisent de nouvelles particules de masse supérieure, dont certaines peuvent être assez légères pour être observées par ATLAS.

ATLAS est conçu pour être un détecteur polyvalent. Lorsque les faisceaux de protons produits par le grand collisionneur de hadrons interagissent au centre du détecteur, une variété de particules différentes avec une large gamme d’énergies est produite. Au lieu de se concentrer sur un processus physique particulier, ATLAS est conçu pour mesurer la plage de signaux la plus large possible. Cela a pour but de garantir que, quelle que soit la forme que pourraient prendre de nouveaux processus physiques ou particules, ATLAS sera en mesure de les détecter et de mesurer leurs propriétés. Des expériences sur des collisionneurs antérieurs, tels que le Tevatron et le Grand collisionneur électron-positon, ont été conçues sur la base d’une philosophie similaire. Cependant, les défis uniques posés par le grand collisionneur de hadrons – son énergie sans précédent et son taux de collision extrêmement élevé – imposent à ATLAS d’être considérablement plus grand et plus complexe que les expériences précédentes.

À 27 km de circonférence, le grand collisionneur de hadrons (LHC) heurte deux faisceaux de protons, chaque proton transportant jusqu’à 6,5 TeV d’énergie, suffisamment pour produire des particules de masses nettement supérieures à celles actuellement connues, si ces particules existent. ATLAS est conçu pour détecter ces particules, à savoir leurs masses, leur impulsion, leurs énergies, leur durée de vie, leurs charges et leurs spins nucléaires. Afin d’identifier toutes les particules produites au point d’interaction où les faisceaux de particules se heurtent, le détecteur est conçu en couches composées de détecteurs de types différents, chacun étant conçu pour observer des types de particules spécifiques. Les différentes traces laissées par les particules dans chaque couche du détecteur permettent une identification efficace des particules et des mesures précises d’énergie et de quantité de mouvement. (Le rôle de chaque couche dans le détecteur est discuté ci-dessous.) À mesure que l’énergie des particules produite par l’accélérateur augmente, les détecteurs qui y sont attachés doivent se développer pour mesurer et arrêter efficacement les particules d’énergie supérieure. En 2017, ATLAS est le plus grand détecteur jamais construit sur un collisionneur de particules.

Programme de physique
ATLAS étudie de nombreux types de physique susceptibles de devenir détectables lors des collisions énergétiques du LHC. Certaines d’entre elles sont des confirmations ou des mesures améliorées du modèle standard, alors que beaucoup d’autres sont des indices possibles pour de nouvelles théories physiques.

L’un des objectifs les plus importants d’ATLAS était d’étudier une pièce manquante du modèle standard, le boson de Higgs. Le mécanisme de Higgs, qui inclut le boson de Higgs, donne une masse aux particules élémentaires, ce qui entraîne des différences entre la force faible et l’électromagnétisme en donnant la masse aux bosons de W et Z tout en laissant la masse sans photons. Le 4 juillet 2012, ATLAS – conjointement avec CMS, son expérience parallèle au LHC – a révélé la preuve de l’existence d’une particule compatible avec le boson de Higgs à un niveau de confiance de 5 sigma, avec une masse voisine de 125 GeV. la masse de protons. Cette nouvelle particule “de type Higgs” a été détectée par sa désintégration en deux photons et sa désintégration en quatre leptons. En mars 2013, à la lumière des résultats actualisés d’ATLAS et de CMS, le CERN a annoncé que la nouvelle particule était bien un boson de Higgs. Les expériences ont également permis de montrer que les propriétés de la particule ainsi que ses interactions avec d’autres particules correspondaient bien à celles d’un boson de Higgs, qui devrait présenter un spin 0 et une parité positive. L’analyse de plusieurs propriétés de la particule et les données collectées en 2015 et 2016 l’ont confirmé. En 2013, deux des physiciens théoriciens ayant prédit l’existence du boson du modèle standard, Peter Higgs et François Englert, ont reçu le prix Nobel de physique.

L’asymétrie entre le comportement de la matière et de l’antimatière, appelée violation de CP, fait également l’objet d’une enquête. Des expériences récentes consacrées aux mesures de la violation de CP, telles que BaBar et Belle, n’ont pas détecté suffisamment de violation de CP dans le modèle standard pour expliquer le manque d’antimatière détectable dans l’univers. Il est possible que de nouveaux modèles de physique introduisent une violation supplémentaire du CP, mettant en lumière ce problème. Les preuves à l’appui de ces modèles pourraient soit être détectées directement par la production de nouvelles particules, soit indirectement par des mesures des propriétés des mésons B et D. LHCb, une expérience du LHC dédiée aux mésons B, sera probablement mieux adaptée à ces derniers.

Les propriétés du quark top, découvertes à Fermilab en 1995, n’ont jusqu’à présent été mesurées qu’approximativement. Avec beaucoup plus d’énergie et des taux de collision plus importants, le LHC produit un nombre considérable de quarks de haut niveau, permettant à ATLAS de mesurer beaucoup plus précisément sa masse et ses interactions avec d’autres particules. Ces mesures fourniront des informations indirectes sur les détails du modèle standard, avec la possibilité de révéler des incohérences qui indiquent une nouvelle physique. Des mesures de précision similaires seront effectuées sur d’autres particules connues; Par exemple, ATLAS pourrait éventuellement mesurer la masse du boson W deux fois plus précisément que précédemment.

La supersymétrie est une théorie qui fait l’objet de nombreuses recherches. La supersymétrie peut potentiellement résoudre un certain nombre de problèmes de physique théorique, tels que les problèmes de hiérarchie dans la théorie de jauge, et est présente dans presque tous les modèles de la théorie des cordes. Les modèles de supersymétrie impliquent de nouvelles particules très massives. Dans de nombreux cas, ces substances se décomposent en quarks de haute énergie et en particules lourdes stables qui ne risquent pas d’interagir avec la matière ordinaire. Les particules stables échapperaient au détecteur, laissant comme signal un ou plusieurs jets de quarks de haute énergie et une grande quantité de quantité de mouvement “manquante”. D’autres particules massives hypothétiques, comme celles de la théorie de Kaluza-Klein, pourraient laisser une signature similaire, mais leur découverte indiquerait certainement qu’il existe une sorte de physique au-delà du modèle standard.

Trous noirs microscopiques
Certaines hypothèses, basées sur le modèle ADD, impliquent de grandes dimensions supplémentaires et prédisent que des micro-trous noirs pourraient être formés par le LHC. Celles-ci se désintégreraient immédiatement au moyen du rayonnement de Hawking, produisant un nombre égal de particules dans le modèle standard et laissant une signature non équivoque dans le détecteur ATLAS.

Composants
Le détecteur ATLAS consiste en une série de cylindres concentriques de plus en plus grands autour du point d’interaction où les faisceaux de protons du LHC entrent en collision. Il peut être divisé en quatre parties principales: le détecteur interne, les calorimètres, le spectromètre à muons et les systèmes à aimants. Chacun de ceux-ci est à son tour composé de plusieurs couches. Les détecteurs sont complémentaires: le détecteur interne détecte les particules avec précision, les calorimètres mesurent l’énergie de particules facilement bloquées et le système à muons effectue des mesures supplémentaires de muons très pénétrants. Les deux systèmes d’aimants courbent les particules chargées dans le détecteur interne et le spectromètre à muons, permettant ainsi de mesurer leurs impulsions.

Les seules particules stables établies qui ne peuvent pas être détectées directement sont les neutrinos; leur présence est déduite en mesurant un déséquilibre de quantité de mouvement entre les particules détectées. Pour que cela fonctionne, le détecteur doit être “hermétique”, ce qui signifie qu’il doit détecter tous les non-neutrinos produits, sans angles morts. Le maintien des performances du détecteur dans les zones de rayonnement élevé entourant immédiatement les faisceaux de protons est un défi technique important.

Détecteur Intérieur
Le détecteur interne débute à quelques centimètres de l’axe du faisceau de protons, s’étend sur un rayon de 1,2 mètre et mesure 6,2 mètres de long le long du tube du faisceau. Sa fonction de base est de suivre les particules chargées en détectant leur interaction avec le matériau en des points discrets, en révélant des informations détaillées sur les types de particules et leur moment. Le champ magnétique entourant tout le détecteur interne provoque une courbe des particules chargées; la direction de la courbe révèle la charge d’une particule et le degré de courbure révèle son élan. Les points de départ des pistes fournissent des informations utiles pour identifier les particules; Par exemple, si un groupe de pistes semble provenir d’un point autre que la collision proton-proton d’origine, cela peut indiquer que les particules proviennent de la désintégration d’un hadron avec un quark de fond (voir b-tagging). Le détecteur interne comprend trois parties, qui sont expliquées ci-dessous.

Le détecteur de pixels, la partie la plus interne du détecteur, contient trois couches concentriques et trois disques sur chaque capuchon, avec un total de 1 744 modules, chacun mesurant 2 centimètres sur 6 centimètres. Le matériau de détection est du silicium de 250 µm d’épaisseur. Chaque module contient 16 puces de lecture et autres composants électroniques. La plus petite unité pouvant être lue est un pixel (50 x 400 micromètres); il y a environ 47 000 pixels par module. La taille des pixels est conçue pour un suivi extrêmement précis très proche du point d’interaction. Au total, le détecteur de pixels dispose de plus de 80 millions de canaux de lecture, ce qui représente environ 50% du nombre total de canaux de lecture de l’expérience. Un nombre aussi élevé a créé un défi de conception et d’ingénierie considérable. Un autre défi était le rayonnement auquel le détecteur de pixels est exposé en raison de sa proximité avec le point d’interaction, exigeant que tous les composants soient durcis par rayonnement afin de pouvoir continuer à fonctionner après des expositions significatives.

Le suivi semi-conducteur (SCT) est le composant central du détecteur interne. Son concept et sa fonction sont similaires à ceux du détecteur de pixels, mais avec de longues bandes étroites plutôt que de petits pixels, il est donc pratique de couvrir une plus grande surface. Chaque bande mesure 80 micromètres par 12 centimètres. Le SCT est la partie la plus critique du détecteur interne pour le suivi de base dans le plan perpendiculaire au faisceau, car il mesure les particules sur une surface beaucoup plus grande que le détecteur de pixels, avec davantage de points échantillonnés et une précision à peu près égale (bien qu’unidimensionnelle). . Il est composé de quatre doubles couches de bandes de silicium et compte 6,3 millions de canaux de lecture et une surface totale de 61 mètres carrés.

Le dispositif de suivi du rayonnement de transition (TRT), le composant le plus externe du détecteur interne, est une combinaison d’un dispositif de suivi de la paille et d’un détecteur de rayonnement de transition. Les éléments de détection sont des tubes à dérive (paillettes) de quatre millimètres de diamètre et de 144 centimètres de long. L’incertitude des mesures de la position de la voie (résolution de la position) est d’environ 200 micromètres. Ce n’est pas aussi précis que ceux des deux autres détecteurs, mais il était nécessaire de réduire le coût de la couverture d’un volume plus important et de disposer d’une capacité de détection du rayonnement de transition. Chaque paille est remplie de gaz qui s’ionise lors du passage d’une particule chargée. Les pailles sont maintenues à environ -1 500 V, entraînant les ions négatifs vers un fil fin au centre de chaque paille, produisant une impulsion de courant (signal) dans le fil. Les fils avec des signaux créent un motif de “paille” qui permet de déterminer le chemin de la particule. Entre les pailles, les matériaux aux indices de réfraction très variables font que les particules chargées ultra-relativistes produisent un rayonnement de transition et laissent des signaux beaucoup plus puissants dans certaines pailles. Le xénon et le gaz argon sont utilisés pour augmenter le nombre de pailles à signaux forts. Étant donné que la quantité de rayonnement de transition est la plus grande pour les particules très relativistes (celles dont la vitesse est très proche de la vitesse de la lumière), et que les particules d’une énergie particulière ont une vitesse plus élevée, plus elles sont légères, des chemins de particules avec de nombreux signaux très puissants peuvent être identifiées comme appartenant aux particules chargées les plus légères: les électrons et leurs antiparticules, les positrons. Le TRT compte environ 298 000 pailles au total.

Calorimètres
Les calorimètres sont situés à l’extérieur de l’aimant solénoïdal qui entoure le détecteur interne. Leur but est de mesurer l’énergie des particules en l’absorbant. Il existe deux systèmes de calorimètre de base: un calorimètre électromagnétique interne et un calorimètre hadronique externe. Les deux sont des calorimètres d’échantillonnage; c’est-à-dire qu’ils absorbent de l’énergie dans un métal à haute densité et échantillonnent périodiquement la forme de la pluie de particules résultante, déduisant de cette mesure l’énergie de la particule d’origine.

Le calorimètre électromagnétique (EM) absorbe l’énergie des particules qui interagissent électromagnétiquement, notamment des particules chargées et des photons. Il a une grande précision, à la fois dans la quantité d’énergie absorbée et dans l’emplacement précis de l’énergie déposée. L’angle entre la trajectoire de la particule et l’axe du faisceau du détecteur (ou plus précisément la pseudorapidité) et son angle dans le plan perpendiculaire sont tous deux mesurés à environ 0,025 radians. Le calorimètre EM à corps cylindrique a des électrodes en forme d’accordéon et les matériaux absorbant l’énergie sont le plomb et l’acier inoxydable, avec de l’argon liquide comme matériau d’échantillonnage et un cryostat est requis autour du calorimètre EM pour le maintenir suffisamment froid.

Le calorimètre à hadrons absorbe l’énergie des particules qui passent à travers le calorimètre EM, mais interagit par l’intermédiaire de la force forte; ces particules sont principalement des hadrons. Il est moins précis, à la fois en termes de magnitude d’énergie et de localisation (dans un rayon d’environ 0,1 radian seulement). Le matériau absorbant l’énergie est l’acier, avec des carreaux scintillants qui captent l’énergie déposée. Beaucoup de caractéristiques du calorimètre sont choisies pour leur rapport coût-efficacité; l’instrument est grand et comprend une quantité énorme de matériaux de construction: la partie principale du calorimètre – le calorimètre à tuile – mesure 8 mètres de diamètre et couvre 12 mètres le long de l’axe du faisceau. Les sections éloignées du calorimètre hadronique sont contenues dans le cryostat du calorimètre EM, et utilisent également de l’argon liquide, tandis que le cuivre et le tungstène sont utilisés comme absorbants.

Spectromètre à muons
Le spectromètre à muons est un système de poursuite extrêmement volumineux, composé de trois parties: (1) un champ magnétique fourni par trois aimants toroïdaux, (2) un ensemble de 1200 chambres mesurant avec une grande précision spatiale les pistes des muons sortants, (3) un ensemble de chambres de déclenchement avec une résolution temporelle précise. L’étendue de ce sous-détecteur commence dans un rayon de 4,25 m à proximité des calorimètres et du rayon complet du détecteur (11 m). Sa taille énorme est nécessaire pour mesurer avec précision la quantité de mouvement des muons, qui passe d’abord par tous les autres éléments du détecteur avant d’atteindre le spectromètre à muons. Il a été conçu pour mesurer, de manière autonome, la quantité de mouvement de muons 100 GeV avec une précision de 3% et de muons à 1 TeV avec une précision de 10%. Il était essentiel de rassembler un équipement aussi volumineux, car un certain nombre de processus physiques intéressants ne peuvent être observés que si un ou plusieurs muons sont détectés, et parce que l’énergie totale des particules dans un événement ne peut pas être mesurée. si les muons ont été ignorés. Il fonctionne de la même manière que le détecteur interne, les muons étant courbés de sorte que leur impulsion puisse être mesurée, bien qu’avec une configuration de champ magnétique différente, une précision spatiale inférieure et un volume beaucoup plus grand. Il sert également à identifier simplement les muons – très peu de particules d’autres types sont supposées passer à travers les calorimètres et ensuite laisser des signaux dans le spectromètre à muons. Il compte environ un million de canaux de lecture et ses couches de détecteurs ont une superficie totale de 12 000 mètres carrés.

Système magnétique
Le détecteur ATLAS utilise deux grands systèmes d’aimants supraconducteurs pour courber les particules chargées afin que leurs impulsions puissent être mesurées. Cette flexion est due à la force de Lorentz, qui est proportionnelle à la vitesse. Étant donné que toutes les particules produites lors des collisions de protons au LHC se déplacent très près de la vitesse de la lumière, la force exercée sur les particules de moments différents est égale. (Dans la théorie de la relativité, la quantité de mouvement n’est pas linéaire proportionnelle à la vitesse à de telles vitesses.) Ainsi, les particules à quantité de mouvement élevée courbent très peu, tandis que les particules à moment de mouvement faible courbent de manière significative; la quantité de courbure peut être quantifiée et le moment de la particule peut être déterminé à partir de cette valeur.

Le solénoïde interne produit un champ magnétique de deux teslas entourant le détecteur interne. Ce champ magnétique élevé permet aux particules même très énergétiques de se courber suffisamment pour que leur impulsion soit déterminée, et sa direction et sa force presque uniformes permettent d’effectuer des mesures très précisément. Les particules dont les impulsions sont inférieures à environ 400 MeV seront tellement courbées qu’elles courberont à plusieurs reprises sur le terrain et ne seront probablement pas mesurées. Cependant, cette énergie est très faible comparée aux plusieurs TeV d’énergie libérés lors de chaque collision de protons.

Le champ magnétique toroïdal externe est produit par huit très grandes boucles de barillet supraconductrices à air et par deux aimants toroïdaux à air, toutes situées à l’extérieur des calorimètres et à l’intérieur du système à muons. Ce champ magnétique s’étend sur une zone de 26 mètres de long et 20 mètres de diamètre et stocke 1,6 gigajoules d’énergie. Son champ magnétique n’est pas uniforme, car la construction d’un aimant solénoïde de taille suffisante serait prohibitive. Il varie entre 2 et 8 Teslamètres.

Performance du détecteur
L’installation de tous les détecteurs susmentionnés a été achevée en août 2008. Les détecteurs ont collecté des millions de rayons cosmiques lors de la réparation des aimants qui a eu lieu entre l’automne 2008 et l’automne 2009, avant les premières collisions de protons. Le détecteur fonctionnait avec une efficacité proche de 100% et fournissait des caractéristiques de performance très proches de ses valeurs de conception.

Détecteurs avant
Le détecteur ATLAS est complété par un ensemble de détecteurs situés dans la région très en avant. Ces détecteurs sont situés dans le tunnel du LHC, loin du point d’interaction. L’idée de base est de mesurer la diffusion élastique à de très petits angles afin de produire de meilleures mesures de la luminosité absolue au point d’interaction ATLAS.

Systèmes de données et analyse
Le détecteur génère de grandes quantités de données brutes ingérables: environ 25 mégaoctets par événement (brutes; la suppression du zéro les réduit à 1,6 Mo), multipliées par 40 millions de croisements de faisceau par seconde au centre du détecteur. Cela produit un total de 1 pétaoctet de données brutes par seconde. Le système de déclenchement utilise des informations simples pour identifier, en temps réel, les événements les plus intéressants à conserver pour une analyse détaillée. Il y a trois niveaux de déclenchement. Le premier est basé sur l’électronique du détecteur, tandis que les deux autres fonctionnent principalement sur un grand groupe d’ordinateurs situé à proximité du détecteur. Le déclencheur de premier niveau sélectionne environ 100 000 événements par seconde. Une fois le déclencheur de troisième niveau appliqué, il reste quelques centaines d’événements à enregistrer pour une analyse plus approfondie. Cette quantité de données nécessite toujours plus de 100 Mo d’espace disque par seconde, soit au moins un pétaoctet chaque année.

Les systèmes de lecture d’événements et de détection d’événements antérieurs étaient basés sur des bus partagés parallèles tels que VMEbus ou FASTBUS. Dans la mesure où une telle architecture de bus ne peut répondre aux exigences des expériences LHC en matière de données, toutes les propositions de systèmes d’acquisition de données reposent sur des liaisons point à point à grande vitesse et des réseaux de commutation. Les concepteurs des expériences LHC ont évalué plusieurs de ces réseaux, notamment le mode de transfert asynchrone, une interface cohérente évolutive, Fibre Channel, Ethernet et IEEE 1355 (SpaceWire).

La reconstruction d’événement hors ligne est effectuée sur tous les événements stockés en permanence, transformant le modèle de signaux provenant du détecteur en objets physiques, tels que des jets, des photons et des leptons. L’informatique en grille est largement utilisée pour la reconstruction d’événements, ce qui permet l’utilisation parallèle des réseaux informatiques des universités et des laboratoires dans le monde entier pour la tâche exigeante en ressources processeur de réduire de grandes quantités de données brutes sous une forme adaptée à l’analyse physique. Le logiciel pour ces tâches est en développement depuis de nombreuses années et continuera à être perfectionné même maintenant que l’expérience recueille des données.

Des individus et des groupes de la collaboration écrivent leur propre code pour effectuer une analyse plus approfondie de ces objets, en recherchant dans les modèles de particules détectées des modèles physiques particuliers ou des particules hypothétiques.

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