アトラス実験、CERN、ジュネーブ、スイス

ATLAS(トロイダルLHC装置)は、スイスのCERN(欧州原子力研究機構)の粒子加速器、Large Hadron Collider(LHC)で行われた7つの粒子検出器実験のうちの1つです。この実験は、LHCで利用可能なこれまでにないエネルギーを利用し、初期の低エネルギー加速器では観測できなかった非常に重い粒子を含む現象を観察するように設計されています。 ATLASは、2012年7月のHiggsボソンの発見に関連した2つのLHC実験のうちの1つでした。それはまた、標準模型を超えた素粒子物理学の理論の証拠を探すために設計されました。

アトラス検出器の長さは46メートル、直径25メートルで、重さは約7,000トンです。それは約3000 kmのケーブルを含みます。この実験は、38か国にある175以上の機関から集まった約3,000人の物理学者による共同研究です。プロジェクトはPeter Jenniによって最初の15年間、2009年から2013年の間にFabiola Gianottiによって、2013年から2017年までDavid Charltonによって、そしてその後Karl Jakobsによって率いられました。

CERN
CERN(Conseileuropénpour la recherchenucléaireに由来)として知られるヨーロッパ原子力研究機構(フランス語:組織européennepour la recherchenucléire)は、世界最大の素粒子物理学研究所を運営するヨーロッパの研究機関です。 1954年に設立されたこの組織は、フランコとスイスの国境にあるジュネーブの北西郊外にあり、23の加盟国があります。イスラエルは、正会員として認められている唯一のヨーロッパ以外の国です。 CERNは公式の国連オブザーバーです。

頭字語CERNは、2016年には2500人の科学的、技術的、および管理スタッフを擁し、約12,000人のユーザーを収容していたラボを指すためにも使用されています。同年、CERNは49ペタバイトのデータを生成しました。

CERNの主な機能は、高エネルギー物理学の研究に必要な粒子加速器やその他のインフラストラクチャーを提供することです – その結果、CERNでは国際的な共同作業を通じて数多くの実験が行われました。 Meyrinのメインサイトには大規模な計算設備があり、主に実験からのデータの保存と分析、およびイベントのシミュレーションに使用されます。研究者はこれらの施設へのリモートアクセスを必要としているので、ラボは歴史的に主要な広域ネットワークハブでした。 CERNはワールドワイドウェブの発祥の地でもあります。

アトラス
最初のサイクロトロンは初期のタイプの粒子加速器で、1931年にErnest O. Lawrenceによって作られました。半径はわずか数センチメートル、粒子エネルギーは1メガ電子ボルト(MeV)です。それ以来、加速器はますます大きな質量の新しい粒子を製造するという探求の中で非常に成長してきました。加速器が成長するにつれて、それらが調査に使用されるかもしれない既知の粒子のリストもそうなっています。今日利用可能な粒子相互作用の最も包括的なモデルは、粒子物理学の標準モデルとして知られています。

現在ATLASおよびCMS実験によって検出されたHiggsボソンを除いて、モデルによって予測されたすべての粒子は以前の実験によって観察されていた。標準模型ではクォーク、電子、ニュートリノが存在するはずだと予測していますが、なぜこれらの粒子の質量が桁違いに異なるのか説明していません。このため、多くの素粒子物理学者は、標準モデルがテラ電子ボルト(TeV)スケール以上のエネルギーで崩壊する可能性があると考えています。そのような標準モデルを超えた物理学が観察されるならば、これまで調べられたエネルギーでの標準モデルと同一である新しいモデルは、より高いエネルギーでの粒子物理学を記述するために開発されることができる。現在提案されている理論のほとんどは、新しい高質量粒子を予測しており、そのうちのいくつかはATLASで観測するのに十分に軽いかもしれません。

アトラスは汎用検出器として設計されています。大型ハドロンコライダーによって生成された陽子ビームが検出器の中央で相互作用すると、広範囲のエネルギーを持つさまざまな粒子が生成されます。特定の物理的プロセスに焦点を当てるのではなく、ATLASは可能な限り広い範囲の信号を測定するように設計されています。これは、どんな新しい物理的プロセスや粒子でも、ATLASがそれらを検出してその特性を測定できるようにするためのものです。 TevatronやLarge Electron-Positron Colliderなどの初期のコライダーでの実験も、同様の考え方に基づいて設計されています。しかし、ラージハドロンコライダーのユニークな課題 – その前例のないエネルギーと非常に高い衝突率 – は、ATLASが以前の実験よりも著しく大きくそしてより複雑であることを要求します。

27キロメートルの円周で、大型ハドロンコライダー(LHC)は2本の陽子ビームを衝突させます。各陽子は最大6.5 TeVのエネルギーを運びます。これらの粒子が存在する場合、現在知られているどの粒子よりもかなり大きい質量の粒子を生成するのに十分です。アトラスはこれらの粒子、すなわちそれらの質量、運動量、エネルギー、寿命、電荷、および核スピンを検出するように設計されています。粒子ビームが衝突する相互作用点で生成されたすべての粒子を識別するために、検出器は異なるタイプの検出器からなる層で設計され、各層は特定のタイプの粒子を観察するように設計されている。粒子が検出器の各層に残す様々な痕跡は、効果的な粒子識別およびエネルギーと運動量の正確な測定を可能にする。加速器によって生成された粒子のエネルギーが増加するにつれて、それに取り付けられた検出器は、より高いエネルギーの粒子を効果的に測定し停止するために成長しなければならない。 2017年の時点で、アトラスはこれまでに粒子コライダーで構築された最大の検出器です。

物理学プログラム
アトラスは、LHCのエネルギー衝突で検出される可能性があるさまざまな種類の物理学を調査しています。これらのうちのいくつかは、標準モデルの確認または改良された測定値ですが、他の多くは新しい物理理論のための可能な手がかりです。

ATLASの最も重要な目標の1つは、標準モデルの欠けている部分、Higgsボソンを調査することでした。 Higgsボソンを含むHiggsメカニズムは、素粒子に質量を与え、光子を零質量のままにしながらWおよびZボソンに質量を与えることによって弱い力と電磁気力との間の差をもたらす。 2012年7月4日、ATLASは、LHCでの姉妹実験であるCMSと共同で、ヒッグス粒子と一致する粒子が存在する証拠を5シグマの信頼度で、125GeV、または133倍の質量で報告しました陽子の質量この新しい「ヒッグス様」粒子は、2つの光子への崩壊と4つのレプトンへの崩壊によって検出されました。 2013年3月に、最新のATLASとCMSの結果に照らして、CERNは新しい粒子が本当にヒッグス粒子であることを発表しました。実験はまた、粒子の性質ならびにそれが他の粒子と相互作用する方法が、スピン0および正のパリティを有すると予想されるヒッグス粒子の性質とよく一致していることを示すことができた。粒子のより多くの特性の分析および2015年および2016年に収集されたデータにより、これがさらに確認された。 2013年に、標準模型のHiggsボソン、Peter HiggsとFrançoisEnglertの存在を予測した2人の理論物理学者がノーベル物理学賞を受賞しました。

CP違反として知られている物質の挙動と反物質の間の非対称性も調査されています。 BaBarやBelleなどのCP違反の測定に特化した最近の実験では、宇宙で検出可能な反物質の欠如を説明するのに十分なCP違反が標準モデルで検出されていません。物理学の新しいモデルが追加のCP違反を導入する可能性があり、この問題に光を当てる。これらのモデルを裏付ける証拠は、新しい粒子の生成によって直接的に、あるいはBおよびD中間子の性質の測定によって間接的に検出されるかもしれない。 B中間子専用のLHC実験であるLHCbは、後者に適している可能性があります。

1995年にFermilabで発見されたトップクォークの性質は、これまでのところ概算でしか測定されていない。はるかに大きなエネルギーと大きな衝突速度で、LHCは膨大な数のトップクォークを生成し、ATLASがその質量と他の粒子との相互作用をより正確に測定できるようにします。これらの測定値は、標準モデルの詳細に関する間接的な情報を提供し、新しい物理学を指す矛盾を明らかにする可能性もあります。他の既知の粒子についても同様の精密測定が行われるであろう。例えば、ATLASは最終的に以前に達成されたのと同じくらい正確に2倍正確にWボソンの質量を測定するかもしれません。

現在の多くの研究の主題である一つの理論は超対称性です。超対称性は、ゲージ理論内の階層問題など、理論物理学におけるいくつかの問題を潜在的に解決することができ、ストリング理論のほとんどすべてのモデルに存在します。超対称性のモデルは新しい、非常に重い粒子を含みます。多くの場合、これらは通常の物質と相互作用する可能性が非常に低い高エネルギークォークと安定した重粒子に崩壊します。安定した粒子は検出器から逃げ出し、信号として1つ以上の高エネルギークォークジェットと大量の「失われた」運動量を残します。 Kaluza-Klein理論のような他の仮想の巨大粒子も同様のサインを残すかもしれませんが、それらの発見は確かに標準模型を超えたある種の物理学があったことを示しています。

微視的ブラックホール
ADDモデルに基づくいくつかの仮説は、大きな余分な次元を含み、マイクロブラックホールがLHCによって形成される可能性があると予測します。これらは、Hawking放射によって即座に減衰し、標準モデル内のすべての粒子を同数生成し、ATLAS検出器に明確なシグネチャを残します。

コンポーネント
ATLAS検出器は、LHCからの陽子ビームが衝突する相互作用点を中心とした、さらに大きな同心円状の一連のシリンダーで構成されています。それは4つの主要部分に分けることができます:内部検出器、熱量計、ミュオン分光計、そして磁石システム。これらはそれぞれ複数のレイヤーで構成されています。検出器は相補的です。内部検出器は粒子を正確に追跡し、熱量計は簡単に停止した粒子のエネルギーを測定し、ミューオンシステムは透過性の高いミューオンをさらに測定します。 2つの磁石システムは、内部検出器とミュオン分光計で荷電粒子を曲げ、それらの運動量を測定することを可能にします。

直接検出できない唯一の確立された安定粒子はニュートリノです。それらの存在は、検出された粒子間の運動量の不均衡を測定することによって推測される。これが機能するためには、検出器が「ハーメチック」である必要があります。つまり、死角のない、生成されたニュートリノをすべて検出する必要があります。陽子ビームを直接取り囲む高放射線領域で検出器の性能を維持することは重要な技術的課題です。

内部検知器
内部検出器は陽子ビーム軸から数センチメートルのところから始まり、1.2メートルの半径まで伸び、そしてビームパイプに沿って6.2メートルの長さである。その基本的な機能は、荷電粒子と物質との相互作用を離散点で検出することによって荷電粒子を追跡し、粒子の種類とそれらの運動量に関する詳細な情報を明らかにすることです。内部検出器全体を囲む磁場は荷電粒子を湾曲させる。曲線の方向は粒子の電荷を表し、曲率はその運動量を表します。トラックの始点は、粒子を識別するための有用な情報をもたらします。たとえば、トラックのグループが元の陽子 – 陽子衝突以外の点から発生しているように見える場合、これは粒子がボトムクォークを持つハドロンの崩壊から来たことを示している可能性があります(bタグ付けを参照)。 Inner Detectorには3つの部分があります。それらについて以下で説明します。

Pixel Detector(検出器の最も内側の部分)には、各エンドキャップに3つの同心円層と3つのディスクがあり、合計1,744モジュールで、それぞれ2 cm×6 cmです。検出材料は、厚さ250 µmのシリコンです。各モジュールは16個の読み出しチップと他の電子部品を含みます。読み取ることができる最小単位はピクセル(50×400マイクロメートル)です。モジュールあたり約47,000ピクセルです。微小ピクセルサイズは、相互作用点に非常に近い非常に正確な追跡のために設計されています。合計で、Pixel Detectorには8000万を超える読み出しチャンネルがあり、これは実験全体の合計読み出しチャンネルの約50%です。このように多くの数を持つことは、かなりの設計とエンジニアリングの課題を生み出しました。もう1つの課題は、相互作用点に近接しているためにピクセル検出器が露光される放射線であり、かなりの露光後も動作を継続するためにはすべてのコンポーネントを放射線硬化させる必要があります。

半導体トラッカー(SCT)は、内部検出器の中間コンポーネントです。概念と機能はPixel Detectorと似ていますが、小さなピクセルではなく長く細いストリップを使用するため、より広い範囲をカバーすることが実用的になります。各ストリップは12センチメートルで80マイクロメートルを測定します。 SCTは、ピクセル検出器よりもはるかに広い面積にわたって粒子を測定するため、より多くのサンプリングされた点で、ほぼ一次元の精度であるにもかかわらず、ビームに垂直な平面内で基本的なトラッキングを行う内部検出器の最も重要な部分です。 。 4層のシリコンストリップで構成され、630万の読み出しチャンネルと61平方メートルの総面積を持っています。

内側検出器の最も外側の部品である遷移放射線追跡装置(TRT)は、ストロー追跡装置と遷移放射線検出器の組み合わせである。検出素子はドリフトチューブ(ストロー)で、それぞれ直径4ミリメートル、最大144センチメートルの長さです。トラック位置測定の不確かさ(位置分解能)は約200マイクロメートルです。これは他の2つの検出器の場合ほど正確ではありませんが、より大きな体積をカバーするためのコストを削減し、遷移放射線検出機能を持つことが必要でした。各ストローは、荷電粒子が通過するときにイオン化されるガスで満たされています。ストローは約-1,500 Vに保持され、マイナスイオンを各ストローの中心に沿って細いワイヤに向けて駆動し、ワイヤ内に電流パルス(信号)を生成します。信号を含むワイヤは、粒子の経路を決定することを可能にする「ヒット」ストローのパターンを作成します。ストロー間では、屈折率が大幅に異なる材料によって超相対論的荷電粒子が遷移放射線を生成し、一部のストローでははるかに強い信号が残ります。キセノンガスとアルゴンガスは、強い信号を持つストローの数を増やすために使用されます。遷移放射の量は非常に相対論的な粒子(光速に非常に近い速度を持つもの)に対して最大であり、そして特定のエネルギーの粒子はそれらがより軽いほどより速いので、多くの非常に強い信号を持つ粒子経路は電子とその反粒子、陽電子:最も軽い荷電粒子に属すると同定された。 TRTには合計で約298,000のストローがあります。

熱量計
熱量計は、内部検出器を囲むソレノイド磁石の外側にあります。彼らの目的は、それを吸収することによって粒子からのエネルギーを測定することです。 2つの基本的な熱量計システムがあります:内部の電磁熱量計と外部のハドロン熱量計です。どちらもサンプリング熱量計です。すなわち、それらは高密度金属中のエネルギーを吸収し、そして得られた粒子シャワーの形状を周期的にサンプリングし、この測定から元の粒子のエネルギーを推測する。

電磁(EM)熱量計は、荷電粒子および光子を含む電磁的に相互作用する粒子からエネルギーを吸収する。それは、吸収されるエネルギーの量と蓄積されるエネルギーの正確な位置の両方において、高い精度を有する。粒子の軌跡と検出器のビーム軸との間の角度(またはより正確には擬似速度)およびその垂直面内での角度は両方とも約0.025ラジアン以内で測定される。バレルEM熱量計はアコーディオン型電極を有し、エネルギー吸収材料はサンプリング材料として液体アルゴンを有する鉛およびステンレス鋼であり、それを十分に冷却しておくためにEM熱量計の周囲にクライオスタットが必要である。

ハドロン熱量計は、EM熱量計を通過する粒子からエネルギーを吸収しますが、強い力で相互作用します。これらの粒子は主にハドロンです。エネルギーの大きさにおいても局在化においても(約0.1ラジアン以内のみ)それはそれほど正確ではない。エネルギー吸収材料はスチールで、堆積したエネルギーをサンプリングするシンチレーションタイルが付いています。熱量計の機能の多くは、その費用対効果から選ばれています。装置は大きく、膨大な量の建築材料で構成されています。熱量計の主要部分 – タイル熱量計 – は直径8メートルで、ビーム軸に沿って12メートルをカバーしています。ハドロン熱量計の前方部分は前方EM熱量計のクライオスタット内に含まれており、液体アルゴンも使用しますが、銅とタングステンは吸収剤として使用します。

ミューオン分光計
Muon Spectrometerは、(1)3つのトロイダル磁石によって提供される磁場、(2)高い空間精度で出射するミュオンの軌跡を測定する1200のチャンバーのセット、の3つの部分からなる、非常に大きな追跡システムです。正確な時間分解能を持つトリガーチャンバーのセット。このサブ検出器の範囲は、検出器の全半径(11m)までの熱量計に近い4.25mの半径で始まる。その途方もない大きさは、ミューオンの運動量を正確に測定するために必要です。ミューオンは、ミューオン分光計に到達する前に、まず検出器の他のすべての要素を通過します。それは独立して、3%の精度で100GeVのミューオンと10%の精度で1TeVのミューオンの運動量を測定するように設計されました。 1つ以上のミューオンが検出された場合にのみいくつかの興味深い物理的プロセスが観察され、イベント内の粒子の総エネルギーが測定できないため、このような大きな機器をまとめるのは非常に重要でした。ミュオンが無視された場合それは、異なる磁場構成、より低い空間精度、およびはるかに大きな体積であるにもかかわらず、それらの運動量を測定することができるように曲がっているミューオンで、内部検出器と同様に機能する。それはまた、単にミュオンを識別するための機能も果たします。他のタイプの粒子は、熱量計を通過し、その後ミュオン分光計に信号を残すことが予想されます。それはおよそ100万の読み出しチャンネルを持ち、そしてその検出器の層は12000平方メートルの総面積を持っています。

マグネットシステム
ATLAS検出器は2つの大きな超伝導マグネットシステムを使用して荷電粒子を曲げ、その運動量を測定できるようにします。この曲がりは、速度に比例するローレンツ力によるものです。 LHCの陽子衝突で生成されたすべての粒子は光速に非常に近い速度で移動しているので、異なる運動量の粒子にかかる力は等しくなります。 (相対性理論では、運動量はそのような速度での速度に線形比例しません。)このように、高運動量粒子はほとんど曲がりませんが、低運動量粒子は著しく曲がります。曲率の​​量は定量化することができ、粒子の運動量はこの値から決定することができる。

内側のソレノイドは、内側検出器を囲む2テスラの磁界を発生させます。この高磁場は、非常に高エネルギーの粒子でさえそれらの運動量が決定されるのに十分に曲がることを可能にし、そしてそのほぼ均一な方向および強度は非常に正確に測定がなされることを可能にする。運動量が約400 MeV未満の粒子は非常に強く湾曲しているため、フィールド内で繰り返しループし、測定されない可能性が最も高いです。しかしながら、このエネルギーは各陽子衝突で放出される数TeVのエネルギーと比較して非常に小さい。

外側トロイダル磁場は、8つの非常に大きな空芯超伝導バレルループと2つのエンドキャップエアトロイダル磁石によって生成され、これらはすべて熱量計の外側でミューオンシステム内にあります。この磁場は、長さ26メートル、直径20メートルの領域に広がり、1.6ギガジュールのエネルギーを蓄えます。十分な大きさのソレノイド磁石を製造するには法外に高価であるため、その磁場は均一ではない。それは2〜8テスラメートルの間で変化します。

検出器の性能
これらの検出器の設置は2008年8月に終了しました。これらの検出器は、最初の陽子衝突の前の2008年秋から2009年秋までの間に行われた磁石修理中に何百万もの宇宙線を集めました。検出器はほぼ100%の効率で動作し、その設計値に非常に近い性能特性を提供した。

フォワードディテクタ
アトラス検出器は、最前方領域における検出器のセットによって補完される。これらの検出器は、相互作用点から離れたLHCトンネル内にあります。基本的な考え方は、ATLAS相互作用点で絶対光度のより良い測定値を生成するために非常に小さい角度で弾性散乱を測定することです。

データシステムと分析
検出器は、計り知れないほど大量の生データを生成します。イベントあたり約25メガバイト(生、ゼロ抑制によりこれが1.6 MBに減少)に、検出器の中央で1秒間に4000万回のビーム交差が掛けられます。これにより、毎秒合計1ペタバイトの生データが生成されます。トリガーシステムは、詳細な分析のために保持する最も興味深いイベントをリアルタイムで識別するために単純な情報を使用します。 3つのトリガーレベルがあります。最初のものは電子機器をベースにしていますが、他の2つは主に検出器の近くにある大きなコンピュータクラスタ上で動作しています。第1レベルのトリガーは、毎秒約100,000のイベントを選択します。第3レベルのトリガーが適用された後、数百のイベントがさらなる分析のために保存されるために残っています。この量のデータでも、1秒間に100メガバイト以上のディスク容量が必要です。少なくとも毎年1ペタバイト必要です。

初期の粒子検出器読み出しおよび事象検出システムは、VMEバスまたはFASTBUSなどの並列共有バスに基づいていた。そのようなバスアーキテクチャはLHC実験のデータ要件に追いつくことができないので、すべてのデータ取得システム提案は高速ポイントツーポイントリンクおよびスイッチングネットワークに依存する。 LHC実験を設計する人々は、非同期転送モード、スケーラブルコヒーレントインタフェース、ファイバチャネル、イーサネット、およびIEEE 1355(SpaceWire)を含むいくつかのそのようなネットワークを評価しました。

オフラインイベント再構築は、恒久的に保存されたすべてのイベントに対して実行され、検出器からの信号のパターンをジェット、フォトン、レプトンなどの物理オブジェクトに変換します。グリッドコンピューティングはイベントの再構築に広く使用されているため、大量の生データを物理解析に適した形式に削減するCPU集中型のタスクで、世界中の大学および研究室のコンピュータネットワークを並行して使用できます。これらのタスクのためのソフトウェアは長年にわたって開発中であり、実験がデータを収集している今でもまだ洗練され続けるでしょう。

コラボレーション内の個人およびグループは、これらのオブジェクトのさらなる分析を実行し、検出された粒子のパターンから特定の物理モデルまたは仮想粒子を検索するための独自のコードを作成しています。

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