Experiência ATLAS, CERN, Genebra, Suíça

ATLAS é um dos sete experimentos de detector de partículas construídos no Large Hadron Collider (LHC), um acelerador de partículas do CERN (a Organização Européia de Pesquisa Nuclear) na Suíça. O experimento é projetado para aproveitar a energia inédita disponível no LHC e observar fenômenos que envolvem partículas altamente massivas que não eram observáveis ​​usando aceleradores anteriores de energia mais baixa. O ATLAS foi um dos dois experimentos do LHC envolvidos na descoberta do bóson de Higgs em julho de 2012. Ele também foi projetado para buscar evidências de teorias da física de partículas além do Modelo Padrão.

O detector ATLAS tem 46 metros de comprimento, 25 metros de diâmetro e pesa cerca de 7.000 toneladas; contém cerca de 3000 km de cabo. O experimento é uma colaboração envolvendo cerca de 3.000 físicos de mais de 175 instituições em 38 países. O projeto foi liderado durante os primeiros 15 anos por Peter Jenni, entre 2009 e 2013 foi dirigido por Fabiola Gianotti, de 2013 a 2017 por David Charlton, e depois por Karl Jakobs.

CERN
A Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear (francês: Organização européia para a investigação nuclear), conhecida como CERN (derivada do nome Conseil européen pour la recherche nucléaire), é uma organização européia de pesquisa que opera o maior laboratório de física de partículas do mundo. Fundada em 1954, a organização está localizada em um subúrbio noroeste de Genebra, na fronteira franco-suíça, e conta com 23 países membros. Israel é o único país não europeu a ser totalmente associado. O CERN é um observador oficial das Nações Unidas.

A sigla CERN também é usada para se referir ao laboratório, que em 2016 tinha 2.500 membros científicos, técnicos e administrativos, e abrigava cerca de 12.000 usuários. No mesmo ano, o CERN gerou 49 petabytes de dados.

A função principal do CERN é fornecer os aceleradores de partículas e outras infra-estruturas necessárias para a pesquisa em física de alta energia – como resultado, numerosos experimentos foram construídos no CERN através de colaborações internacionais. O site principal em Meyrin hospeda uma grande instalação de computação, que é usada principalmente para armazenar e analisar dados de experimentos, bem como simular eventos. Os pesquisadores precisam de acesso remoto a essas instalações, de modo que o laboratório tem sido historicamente um importante hub de rede de longa distância. O CERN é também o berço da World Wide Web.

ATLAS
O primeiro ciclotron, um dos primeiros tipos de aceleradores de partículas, foi construído por Ernest O. Lawrence em 1931, com um raio de apenas alguns centímetros e uma energia de partículas de 1 megaeletronvolts (MeV). Desde então, os aceleradores cresceram enormemente na busca de produzir novas partículas de massa cada vez maior. À medida que os aceleradores crescem, o mesmo acontece com a lista de partículas conhecidas que podem ser usadas para investigar. O modelo mais abrangente de interações de partículas disponíveis hoje é conhecido como o Modelo Padrão de Física de Partículas.

Com a importante exceção do bóson de Higgs, agora detectada pelos experimentos ATLAS e CMS, todas as partículas previstas pelo modelo foram observadas em experimentos anteriores. Enquanto o Modelo Padrão prevê que quarks, elétrons e neutrinos devem existir, isso não explica porque as massas dessas partículas diferem em ordens de grandeza. Devido a isso, muitos físicos de partículas acreditam que é possível que o Modelo Padrão se decomponha em energias na escala teraeletronvoltagem (TeV) ou superior. Se tal física além do Modelo Padrão for observada, um novo modelo, que é idêntico ao Modelo Padrão em energias até agora testadas, pode ser desenvolvido para descrever a física de partículas em altas energias. A maioria das teorias atualmente propostas prevê novas partículas de massa mais alta, algumas das quais podem ser leves o suficiente para serem observadas pelo ATLAS.

ATLAS é projetado para ser um detector de propósito geral. Quando os feixes de prótons produzidos pelo Large Hadron Collider interagem no centro do detector, uma variedade de diferentes partículas com uma ampla gama de energias são produzidas. Em vez de focar em um processo físico específico, o ATLAS é projetado para medir o maior número possível de sinais. Isso tem o objetivo de garantir que, seja qual for a forma que qualquer novo processo ou partícula física possa assumir, o ATLAS poderá detectá-los e medir suas propriedades. Experimentos em colisores anteriores, como o Tevatron e o Large Electron-Positron Collider, foram projetados com base em uma filosofia similar. No entanto, os desafios únicos do Large Hadron Collider – sua energia sem precedentes e sua taxa extremamente alta de colisões – exigem que o ATLAS seja significativamente maior e mais complexo do que os experimentos anteriores.

Com 27 quilômetros de circunferência, o Grande Colisor de Hádrons (LHC) colide dois feixes de prótons juntos, com cada próton carregando até 6,5 TeV de energia – suficiente para produzir partículas com massas significativamente maiores do que as partículas atualmente conhecidas, se essas partículas existirem. ATLAS é projetado para detectar essas partículas, ou seja, suas massas, momentum, energias, tempo de vida, cargas e spins nucleares. A fim de identificar todas as partículas produzidas no ponto de interação onde os feixes de partículas colidem, o detector é projetado em camadas feitas de detectores de diferentes tipos, cada um dos quais é projetado para observar tipos específicos de partículas. Os diferentes traços que as partículas deixam em cada camada do detector permitem uma identificação eficaz das partículas e medições precisas da energia e do momento. (O papel de cada camada no detector é discutido abaixo.) À medida que a energia das partículas produzidas pelo acelerador aumenta, os detectores conectados a ele devem crescer para medir e deter efetivamente as partículas de energia mais alta. A partir de 2017, ATLAS é o maior detector já construído em um colisor de partículas.

Programa de física
O ATLAS investiga muitos tipos diferentes de física que podem se tornar detectáveis ​​nas colisões energéticas do LHC. Algumas delas são confirmações ou medidas aprimoradas do Modelo Padrão, enquanto muitas outras são pistas possíveis para novas teorias físicas.

Um dos objetivos mais importantes do ATLAS foi investigar uma peça que faltava do Modelo Padrão, o bóson de Higgs. O mecanismo de Higgs, que inclui o bóson de Higgs, dá massa às partículas elementares, levando a diferenças entre a força fraca e o eletromagnetismo, dando massa aos bósons W e Z, deixando o fóton sem massa. Em 4 de julho de 2012, ATLAS – juntamente com CMS, seu experimento irmão no LHC – relatou evidências da existência de uma partícula consistente com o bóson de Higgs em um nível de confiança de 5 sigma, com uma massa em torno de 125 GeV, ou 133 vezes a massa de prótons. Esta nova partícula “Higgs-like” foi detectada pela sua decadência em dois fótons e sua decadência para quatro léptons. Em março de 2013, à luz dos resultados ATLAS e CMS atualizados, o CERN anunciou que a nova partícula era de fato um bóson de Higgs. Os experimentos também foram capazes de mostrar que as propriedades da partícula, bem como as formas como ela interage com outras partículas, foram bem combinadas com as de um bóson de Higgs, que se espera ter spin 0 e paridade positiva. A análise de mais propriedades da partícula e os dados coletados em 2015 e 2016 confirmaram isso ainda mais. Em 2013, dois dos físicos teóricos que previram a existência do bóson padrão do Modelo Higgs, Peter Higgs e François Englert receberam o Prêmio Nobel de Física.

A assimetria entre o comportamento da matéria e da antimatéria, conhecida como violação de CP, também está sendo investigada. Experiências recentes dedicadas a medidas de violação de CP, como BaBar e Belle, não detectaram violação de CP suficiente no Modelo Padrão para explicar a falta de antimatéria detectável no universo. É possível que novos modelos de física apresentem violação adicional de CP, esclarecendo esse problema. As evidências que sustentam esses modelos podem ser detectadas diretamente pela produção de novas partículas ou indiretamente por medidas das propriedades dos mésons B e D. O LHCb, um experimento do LHC dedicado aos mésons B, provavelmente será mais adequado para o último.

As propriedades do quark top, descoberto no Fermilab em 1995, até agora só foram medidas aproximadamente. Com uma energia muito maior e taxas de colisão maiores, o LHC produz um número tremendo de quarks top, permitindo que o ATLAS faça medições muito mais precisas de sua massa e interações com outras partículas. Essas medições fornecerão informações indiretas sobre os detalhes do Modelo Padrão, com a possibilidade de revelar inconsistências que apontem para uma nova física. Medições de precisão semelhantes serão feitas de outras partículas conhecidas; por exemplo, o ATLAS pode eventualmente medir a massa do bóson W duas vezes com mais precisão do que foi alcançado anteriormente.

Uma teoria que é objeto de muita pesquisa atual é a supersimetria. A supersimetria pode potencialmente resolver vários problemas da física teórica, como os problemas de hierarquia dentro da teoria do calibre, e está presente em quase todos os modelos da teoria das cordas. Modelos de supersimetria envolvem novas partículas altamente massivas. Em muitos casos, estes decaem em quarks de alta energia e partículas pesadas estáveis, que dificilmente interagem com a matéria comum. As partículas estáveis ​​escapariam do detector, deixando como sinal um ou mais jatos quark de alta energia e uma grande quantidade de momentum “ausente”. Outras partículas massivas hipotéticas, como as da teoria de Kaluza-Klein, podem deixar uma assinatura semelhante, mas a sua descoberta certamente indicaria que havia algum tipo de física além do Modelo Padrão.

Buracos negros microscópicos
Algumas hipóteses, baseadas no modelo ADD, envolvem grandes dimensões extras e prevêem que micro buracos negros poderiam ser formados pelo LHC. Estes decairiam imediatamente por meio da radiação de Hawking, produzindo todas as partículas no Modelo Padrão em números iguais e deixando uma assinatura inequívoca no detector ATLAS.

Componentes
O detector ATLAS consiste em uma série de cilindros concêntricos cada vez maiores em torno do ponto de interação onde os feixes de prótons do LHC colidem. Pode ser dividido em quatro partes principais: o detector interno, os calorímetros, o espectrômetro Muon e os sistemas magnéticos. Cada um destes é por sua vez feito de múltiplas camadas. Os detectores são complementares: o Detector Interno rastreia partículas com precisão, os calorímetros medem a energia de partículas facilmente paradas e o sistema muão faz medições adicionais de múons altamente penetrantes. Os dois sistemas magnéticos dobram as partículas carregadas no Detector Interno e no Espectrômetro Muon, permitindo que seu momento seja medido.

As únicas partículas estáveis ​​estabelecidas que não podem ser detectadas diretamente são os neutrinos; sua presença é inferida pela medição de um desequilíbrio momentâneo entre as partículas detectadas. Para que isso funcione, o detector deve ser “hermético”, ou seja, deve detectar todos os não-neutrinos produzidos, sem pontos cegos. A manutenção do desempenho do detector nas áreas de alta radiação imediatamente ao redor dos feixes de prótons é um desafio de engenharia significativo.

Detector Interno
O detector interno começa a poucos centímetros do eixo do feixe de prótons, se estende a um raio de 1,2 metros e mede 6,2 metros de comprimento ao longo do tubo do feixe. Sua função básica é rastrear partículas carregadas, detectando sua interação com o material em pontos discretos, revelando informações detalhadas sobre os tipos de partículas e seu momento. O campo magnético que envolve todo o detector interno faz com que as partículas carregadas se curvem; a direção da curva revela a carga de uma partícula e o grau de curvatura revela seu momento. Os pontos iniciais das trilhas produzem informações úteis para identificar partículas; por exemplo, se um grupo de trilhas parece se originar de um ponto diferente da colisão próton-próton original, isso pode ser um sinal de que as partículas vieram do decaimento de um hadrônio com um quark de fundo (veja b-tagging). O detector interno tem três partes, que são explicadas abaixo.

O Detector de Pixel, a parte mais interna do detector, contém três camadas concêntricas e três discos em cada extremidade, com um total de 1.744 módulos, cada um medindo 2 centímetros por 6 centímetros. O material de detecção é de silício de 250 µm de espessura. Cada módulo contém 16 chips de leitura e outros componentes eletrônicos. A menor unidade que pode ser lida é um pixel (50 por 400 micrômetros); há aproximadamente 47.000 pixels por módulo. O tamanho minúsculo do pixel é projetado para rastreamento extremamente preciso muito próximo ao ponto de interação. No total, o Detector de Pixel possui mais de 80 milhões de canais de leitura, o que representa cerca de 50% do total de canais de leitura de todo o experimento. Ter uma contagem tão grande criou um desafio considerável de design e engenharia. Outro desafio foi a radiação à qual o Detector de Pixel é exposto devido à sua proximidade ao ponto de interação, exigindo que todos os componentes sejam endurecidos por radiação para continuar operando após exposições significativas.

O Semi-Conductor Tracker (SCT) é o componente central do detector interno. É similar em conceito e função ao Detector de Pixel, mas com tiras longas e estreitas em vez de pequenos pixels, tornando a cobertura de uma área maior prática. Cada faixa mede 80 micrômetros por 12 centímetros. O SCT é a parte mais crítica do detector interno para rastreamento básico no plano perpendicular ao feixe, já que mede partículas em uma área muito maior que o detector de pixels, com mais pontos amostrados e aproximadamente igual (embora unidimensional) . É composto por quatro camadas duplas de tiras de silício e possui 6,3 milhões de canais de leitura e uma área total de 61 metros quadrados.

O Transition Radiation Tracker (TRT), o componente mais externo do detector interno, é uma combinação de um rastreador de palha e um detector de radiação de transição. Os elementos de detecção são tubos de desvio (canudos), cada um com quatro milímetros de diâmetro e até 144 centímetros de comprimento. A incerteza das medições de posição da pista (resolução da posição) é de cerca de 200 micrômetros. Isso não é tão preciso quanto os dos outros dois detectores, mas foi necessário reduzir o custo de cobrir um volume maior e ter capacidade de detecção de radiação de transição. Cada palha é preenchida com gás que se torna ionizado quando uma partícula carregada passa. As palhetas são mantidas a cerca de −1.500 V, levando os íons negativos a um fio fino no centro de cada palhinha, produzindo um pulso de corrente (sinal) no arame. Os fios com sinais criam um padrão de canudinhos que permitem determinar o caminho da partícula. Entre as palhetas, materiais com índices de refração amplamente variáveis ​​causam partículas carregadas ultra-relativísticas para produzir radiação de transição e deixam sinais muito mais fortes em alguns canudos. Gás de xon e argônio é usado para aumentar o número de palhas com sinais fortes. Como a quantidade de radiação de transição é maior para partículas altamente relativísticas (aquelas com uma velocidade muito próxima da velocidade da luz), e porque as partículas de uma energia específica têm uma velocidade maior quanto mais leves elas são, caminhos de partículas com muitos sinais muito fortes podem ser identificado como pertencente às partículas carregadas mais leves: elétrons e suas antipartículas, pósitrons. O TRT tem cerca de 298.000 palhas no total.

Calorímetros
Os calorímetros estão situados fora do ímã solenoidal que circunda o detector interno. Sua finalidade é medir a energia das partículas, absorvendo-a. Existem dois sistemas básicos de calorímetro: um calorímetro eletromagnético interno e um calorímetro hadrônico externo. Ambos estão amostrando calorímetros; isto é, eles absorvem energia em metal de alta densidade e periodicamente amostram a forma do chuveiro de partículas resultante, inferindo a energia da partícula original a partir dessa medida.

O calorímetro eletromagnético (EM) absorve energia de partículas que interagem eletromagneticamente, que incluem partículas carregadas e fótons. Tem alta precisão, tanto na quantidade de energia absorvida quanto na localização precisa da energia depositada. O ângulo entre a trajetória da partícula e o eixo do feixe do detector (ou, mais precisamente, a pseudorapidez) e seu ângulo dentro do plano perpendicular são medidos em aproximadamente 0,025 radianos. O calorímetro em forma de barril EM tem eletrodos em forma de acordeão e os materiais absorventes de energia são de chumbo e aço inoxidável, com argônio líquido como material de amostragem, e um criostato é necessário em torno do calorímetro EM para mantê-lo suficientemente frio.

O calorímetro de hádrons absorve energia das partículas que passam pelo calorímetro EM, mas interage através da força forte; estas partículas são principalmente hadrons. É menos preciso, tanto em magnitude de energia quanto na localização (em cerca de 0,1 radianos apenas). O material absorvedor de energia é de aço, com azulejos cintilantes que captam a energia depositada. Muitas das características do calorímetro são escolhidas por sua relação custo-benefício; O instrumento é grande e compreende uma enorme quantidade de material de construção: a parte principal do calorímetro – o calorímetro da telha – tem 8 metros de diâmetro e cobre 12 metros ao longo do eixo do feixe. As seções mais à frente do calorímetro hadrônico estão contidas no criostato do calorímetro frontal EM, e também usam argônio líquido, enquanto o cobre e o tungstênio são usados ​​como absorvedores.

Espectrômetro Muon
O espectrômetro Muon é um sistema de rastreamento extremamente grande, composto de três partes: (1) um campo magnético fornecido por três ímãs toroidais, (2) um conjunto de 1200 câmaras medindo com alta precisão espacial as trilhas dos múons que saem, (3) um conjunto de câmaras de disparo com resolução de tempo precisa. A extensão deste sub-detector começa num raio de 4,25 m perto dos calorímetros até ao raio total do detector (11 m). Seu tremendo tamanho é necessário para medir com precisão o momento dos múons, que primeiro passam por todos os outros elementos do detector antes de chegar ao espectrômetro de múons. Ele foi projetado para medir, de maneira independente, o momento de 100 Geons, com 3% de precisão e de 1 TeV, com 10% de precisão. Era vital ir ao ponto de montar um equipamento tão grande porque vários processos físicos interessantes só podem ser observados se um ou mais múons forem detectados e porque a energia total das partículas em um evento não pode ser medida. se os múons fossem ignorados. Ele funciona de maneira semelhante ao Detector Interno, com múons curvos para que seu momento possa ser medido, embora com uma configuração de campo magnético diferente, menor precisão espacial e um volume muito maior. Também serve a função de simplesmente identificar múons – espera-se que muito poucas partículas de outros tipos passem pelos calorímetros e subsequentemente deixem sinais no espectrômetro Muon. Tem aproximadamente um milhão de canais de leitura e suas camadas de detectores têm uma área total de 12.000 metros quadrados.

Sistema magnético
O detector ATLAS usa dois grandes sistemas magnéticos supercondutores para dobrar as partículas carregadas, de modo que seu momento possa ser medido. Esta flexão é devida à força de Lorentz, que é proporcional à velocidade. Como todas as partículas produzidas nas colisões de prótons do LHC estão viajando muito próximas da velocidade da luz, a força em partículas de diferentes momentos é igual. (Na teoria da relatividade, o momento não é linear proporcional à velocidade em tais velocidades). Assim, partículas de alto momento curvam muito pouco, enquanto partículas de baixo momento se curvam significativamente; a quantidade de curvatura pode ser quantificada e o momento da partícula pode ser determinado a partir desse valor.

O solenóide interno produz um campo magnético de dois tesla em torno do detector interno. Este campo magnético elevado permite que mesmo partículas muito enérgicas se curvem o suficiente para que seu momento seja determinado, e sua direção e força quase uniformes permitem que as medidas sejam feitas com muita precisão. Partículas com torque abaixo de aproximadamente 400 MeV serão curvadas tão fortemente que elas irão se repetir repetidamente no campo e provavelmente não serão medidas; no entanto, essa energia é muito pequena em comparação com os vários TeV de energia liberados em cada colisão de prótons.

O campo magnético toroidal externo é produzido por oito laços de barril supercondutor de grande núcleo de ar e dois ímãs toroidais de ar de tampas de extremidade, todos situados fora dos calorímetros e dentro do sistema de múons. Este campo magnético se estende em uma área de 26 metros de comprimento e 20 metros de diâmetro, e armazena 1,6 gigajoules de energia. Seu campo magnético não é uniforme, porque um ímã solenóide de tamanho suficiente seria proibitivamente caro de construir. Varia entre 2 e 8 Teslameters.

Desempenho do detector
A instalação de todos os detectores acima foi concluída em agosto de 2008. Os detectores coletaram milhões de raios cósmicos durante os reparos de ímãs ocorridos entre o outono de 2008 e o outono de 2009, antes das primeiras colisões de prótons. O detector operou com eficiência próxima a 100% e forneceu características de desempenho muito próximas aos valores de projeto.

Detectores para a frente
O detector ATLAS é complementado por um conjunto de detectores na região muito avançada. Esses detectores estão localizados no túnel do LHC, longe do ponto de interação. A idéia básica é medir o espalhamento elástico em ângulos muito pequenos para produzir melhores medidas da luminosidade absoluta no ponto de interação ATLAS.

Sistemas de dados e análise
O detector gera quantidades incontroláveis ​​de dados brutos: cerca de 25 megabytes por evento (raw; supressão zero reduz isso para 1,6 MB), multiplicado por 40 milhões de cruzamentos de feixe por segundo no centro do detector. Isso produz um total de 1 petabyte de dados brutos por segundo. O sistema acionador utiliza informações simples para identificar, em tempo real, os eventos mais interessantes a serem retidos para análise detalhada. Existem três níveis de disparo. O primeiro é baseado em eletrônica no detector, enquanto os outros dois são executados principalmente em um grande cluster de computador próximo ao detector. O acionador de primeiro nível seleciona cerca de 100.000 eventos por segundo. Depois que o gatilho de terceiro nível for aplicado, algumas centenas de eventos permanecem para serem armazenadas para análise posterior. Essa quantidade de dados ainda requer mais de 100 megabytes de espaço em disco por segundo – pelo menos um petabyte por ano.

Anteriormente, os sistemas de leitura e detecção de eventos do detector de partículas eram baseados em barramentos compartilhados paralelos, como o VMEbus ou o FASTBUS. Como tal arquitetura de barramento não consegue acompanhar os requisitos de dados dos experimentos do LHC, todas as propostas de sistemas de aquisição de dados dependem de enlaces ponto-a-ponto de alta velocidade e de redes de comutação. As pessoas que projetaram os experimentos do LHC avaliaram várias dessas redes, incluindo o Modo de Transferência Assíncrona, a Interface Coerente Escalonável, o Fibre Channel, a Ethernet e o IEEE 1355 (SpaceWire).

A reconstrução de eventos off-line é realizada em todos os eventos armazenados permanentemente, transformando o padrão de sinais do detector em objetos físicos, como jatos, fótons e léptons. A computação em grade está sendo extensivamente usada para a reconstrução de eventos, permitindo o uso paralelo de redes de computadores de universidades e laboratórios em todo o mundo para a tarefa intensiva de CPU de reduzir grandes quantidades de dados brutos em uma forma adequada para análise física. O software para essas tarefas está em desenvolvimento há muitos anos e continuará a ser refinado mesmo agora que o experimento está coletando dados.

Indivíduos e grupos dentro da colaboração estão escrevendo seu próprio código para realizar análises adicionais desses objetos, buscando os padrões de partículas detectadas para modelos físicos particulares ou partículas hipotéticas.

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