ATLAS эксперимент, ЦЕРН, Женева, Швейцария

ATLAS (аппарат Toroidal LHC) – один из семи экспериментов с детекторами частиц, построенных на Большом адронном коллайдере (LHC), ускорителе частиц в CERN (Европейская организация ядерных исследований) в Швейцарии. Эксперимент предназначен для использования беспрецедентной энергии, доступной на LHC, и наблюдения явлений, в которых участвуют очень массивные частицы, которые не могли наблюдаться с помощью более ранних ускорителей с более низкой энергией. ATLAS был одним из двух экспериментов на LHC, связанных с открытием бозона Хиггса в июле 2012 года. Он также был разработан для поиска доказательств теорий физики элементарных частиц за пределами Стандартной модели.

Детектор ATLAS имеет длину 46 метров, диаметр 25 метров и весит около 7000 тонн; он содержит около 3000 км кабеля. Эксперимент представляет собой сотрудничество с участием около 3000 физиков из более чем 175 учреждений в 38 странах. Первые 15 лет проектом руководил Питер Дженни, с 2009 по 2013 год – Фабиола Джанотти, с 2013 по 2017 год – Дэвид Чарлтон, а затем Карл Якобс.

CERN
Европейская организация ядерных исследований (на французском языке: Организация européenne pour la recherche nucléaire), известная как CERN (происходит от названия Conseil européen pour la recherche nucléaire), является европейской исследовательской организацией, которая работает крупнейшая в мире лаборатория физики элементарных частиц. Созданная в 1954 году, организация базируется в северо-западном пригороде Женевы на франко-швейцарской границе и насчитывает 23 государства-члена. Израиль – единственная неевропейская страна, получившая полное членство. ЦЕРН является официальным наблюдателем Организации Объединенных Наций.

Аббревиатура CERN также используется для обозначения лаборатории, в которой в 2016 году работало 2500 научных, технических и административных сотрудников, а также около 12 000 пользователей. В том же году ЦЕРН сгенерировал 49 петабайт данных.

Основная функция CERN состоит в том, чтобы предоставить ускорители частиц и другую инфраструктуру, необходимую для исследований в области физики высоких энергий. В результате в CERN были проведены многочисленные эксперименты в рамках международного сотрудничества. На главной площадке в Мейрине размещается большое вычислительное оборудование, которое в основном используется для хранения и анализа данных экспериментов, а также для моделирования событий. Исследователям необходим удаленный доступ к этим средствам, поэтому лаборатория исторически была крупным центром глобальной сети. ЦЕРН также является родиной всемирной паутины.

АТЛАС
Первый циклотрон, ускоритель частиц раннего типа, был построен Эрнестом О. Лоуренсом в 1931 году с радиусом всего в несколько сантиметров и энергией частиц 1 мегаэлектронвольт (МэВ). С тех пор ускорители чрезвычайно выросли в стремлении производить новые частицы все большей и большей массы. По мере роста ускорителей растет и список известных частиц, которые они могут использовать для исследования. Наиболее полная модель взаимодействия частиц, доступная сегодня, известна как Стандартная Модель Физики Частиц.

За важным исключением бозона Хиггса, обнаруженного в настоящее время экспериментами ATLAS и CMS, все частицы, предсказанные моделью, наблюдались в предыдущих экспериментах. Хотя стандартная модель предсказывает, что кварки, электроны и нейтрино должны существовать, она не объясняет, почему массы этих частиц различаются на порядки величины. В связи с этим многие физики элементарных частиц считают, что стандартная модель может разрушиться при энергиях в масштабе тераэлектронвольт (ТэВ) или выше. Если наблюдается такая физика за пределами Стандартной модели, то для описания физики элементарных частиц при более высоких энергиях можно разработать новую модель, идентичную Стандартной модели при изученных до сих пор энергиях. Большинство предлагаемых в настоящее время теорий предсказывают появление новых частиц с большей массой, некоторые из которых могут быть достаточно легкими для наблюдения ATLAS.

ATLAS разработан, чтобы быть детектором общего назначения. Когда протонные пучки, создаваемые Большим адронным коллайдером, взаимодействуют в центре детектора, образуется множество различных частиц с широким диапазоном энергий. Вместо того, чтобы фокусироваться на конкретном физическом процессе, ATLAS предназначен для измерения максимально широкого диапазона сигналов. Это предназначено для того, чтобы гарантировать, что какие бы формы ни принимали какие-либо новые физические процессы или частицы, ATLAS сможет обнаруживать их и измерять их свойства. Эксперименты на более ранних коллайдерах, таких как Tevatron и Large Electron-Positron Collider, были разработаны на основе аналогичной философии. Однако уникальные проблемы Большого адронного коллайдера – его беспрецедентная энергия и чрезвычайно высокая частота столкновений – требуют, чтобы ATLAS был значительно больше и сложнее, чем предыдущие эксперименты.

На 27 километрах в окружности Большой адронный коллайдер (LHC) сталкивает два пучка протонов вместе, причем каждый протон несет до 6,5 ТэВ энергии – достаточно, чтобы произвести частицы с массами, значительно превышающими массы любых известных в настоящее время частиц, если эти частицы существуют. ATLAS предназначен для обнаружения этих частиц, а именно их массы, импульса, энергии, времени жизни, зарядов и ядерных спинов. Чтобы идентифицировать все частицы, образующиеся в точке взаимодействия, где сталкиваются пучки частиц, детектор сконструирован в слоях, состоящих из детекторов различных типов, каждый из которых предназначен для наблюдения за определенными типами частиц. Различные следы, которые частицы оставляют в каждом слое детектора, обеспечивают эффективную идентификацию частиц и точные измерения энергии и импульса. (Роль каждого слоя в детекторе обсуждается ниже.) Когда энергия частиц, вырабатываемых ускорителем, увеличивается, присоединенные к нему детекторы должны расти, чтобы эффективно измерять и останавливать частицы с более высокой энергией. По состоянию на 2017 год ATLAS является крупнейшим детектором, когда-либо созданным на коллайдере частиц.

Физическая программа
ATLAS исследует много различных типов физики, которые могут стать обнаруживаемыми в энергетических столкновениях LHC. Некоторые из них являются подтверждением или улучшенными измерениями Стандартной Модели, в то время как многие другие являются возможными ключами для новых физических теорий.

Одной из наиболее важных целей ATLAS было исследование недостающего фрагмента Стандартной модели, бозона Хиггса. Механизм Хиггса, который включает бозон Хиггса, дает массу элементарным частицам, приводя к различиям между слабой силой и электромагнетизмом, давая массу бозонов W и Z, оставляя фотон без массы. 4 июля 2012 года ATLAS – вместе с CMS, ее родственным экспериментом на LHC – сообщили о существовании частицы, согласующейся с бозоном Хиггса, с уровнем достоверности 5 сигма, с массой около 125 ГэВ, или 133 раза масса протона. Эта новая “хиггсоподобная” частица была обнаружена путем ее распада на два фотона и его распада на четыре лептона. В марте 2013 года, в свете обновленных результатов ATLAS и CMS, CERN объявил, что новая частица действительно была бозоном Хиггса. Эксперименты также смогли показать, что свойства частицы, а также то, как она взаимодействует с другими частицами, хорошо согласованы со свойствами бозона Хиггса, который, как ожидается, имеет спин 0 и положительную четность. Анализ дополнительных свойств частиц и данных, собранных в 2015 и 2016 годах, подтвердил это в дальнейшем. В 2013 году двое из физиков-теоретиков, которые предсказывали существование бозона Хиггса стандартной модели, Питер Хиггс и Франсуа Энглерт, были удостоены Нобелевской премии по физике.

Асимметрия между поведением вещества и антивещества, известная как нарушение CP, также исследуется. Недавние эксперименты, посвященные измерению СР-нарушения, такие как BaBar и Belle, не обнаружили достаточного СР-нарушения в Стандартной модели, чтобы объяснить отсутствие обнаруживаемой антивещества во вселенной. Возможно, что новые физические модели будут вводить дополнительное CP-нарушение, проливая свет на эту проблему. Доказательства, подтверждающие эти модели, могут быть обнаружены либо непосредственно при производстве новых частиц, либо косвенно путем измерения свойств B- и D-мезонов. LHCb, эксперимент LHC, посвященный B-мезонам, вероятно, лучше подходит для последних.

Свойства верхнего кварка, открытого в Фермилабе в 1995 году, до сих пор измерялись только приблизительно. С гораздо большей энергией и большей частотой столкновений, LHC производит огромное количество верхних кварков, что позволяет ATLAS проводить гораздо более точные измерения его массы и взаимодействий с другими частицами. Эти измерения предоставят косвенную информацию о деталях Стандартной модели с возможностью выявления несоответствий, которые указывают на новую физику. Подобные прецизионные измерения будут сделаны для других известных частиц; например, ATLAS может в конечном итоге измерить массу W-бозона в два раза с большей точностью, чем это было достигнуто ранее.

Одной из теорий, которая является предметом многих современных исследований, является суперсимметрия. Суперсимметрия может потенциально решить ряд проблем теоретической физики, таких как проблемы иерархии в калибровочной теории, и присутствует практически во всех моделях теории струн. Модели суперсимметрии включают новые, очень массивные частицы. Во многих случаях они распадаются на высокоэнергетические кварки и стабильные тяжелые частицы, которые вряд ли будут взаимодействовать с обычным веществом. Стабильные частицы будут выходить из детектора, оставляя в качестве сигнала одну или несколько высокоэнергетических кварковых струй и большое количество «пропущенного» импульса. Другие гипотетические массивные частицы, такие как частицы в теории Калуцы-Кляйна, могут оставить аналогичную сигнатуру, но их открытие, несомненно, будет указывать на то, что существует некоторая физика за пределами Стандартной модели.

Микроскопические черные дыры
Некоторые гипотезы, основанные на модели ADD, включают большие дополнительные измерения и предсказывают, что микротермические дыры могут быть образованы LHC. Они немедленно распались бы посредством излучения Хокинга, производя все частицы в Стандартной модели в равных количествах и оставляя однозначную сигнатуру в детекторе ATLAS.

Компоненты
Детектор ATLAS состоит из серии концентрических цилиндров все большего размера, расположенных вокруг точки взаимодействия, где сталкиваются пучки протонов с LHC. Его можно разделить на четыре основные части: внутренний детектор, калориметры, мюонный спектрометр и магнитные системы. Каждый из них, в свою очередь, состоит из нескольких слоев. Детекторы дополняют друг друга: внутренний детектор точно отслеживает частицы, калориметры измеряют энергию легко останавливаемых частиц, а мюонная система производит дополнительные измерения мюонов с высокой проникающей способностью. Две магнитные системы сгибают заряженные частицы во внутреннем детекторе и мюонном спектрометре, позволяя измерять их импульсы.

Единственными установленными стабильными частицами, которые не могут быть обнаружены непосредственно, являются нейтрино; их присутствие определяется путем измерения дисбаланса импульса среди обнаруженных частиц. Чтобы это работало, детектор должен быть «герметичным», то есть он должен обнаруживать все произведенные не нейтрино без слепых зон. Поддержание рабочих характеристик детектора в областях с высоким излучением, непосредственно окружающих протонные пучки, является важной инженерной задачей.

Внутренний детектор
Внутренний детектор начинается в нескольких сантиметрах от оси пучка протонов, простирается до радиуса 1,2 метра и имеет длину 6,2 метра вдоль трубы луча. Его основная функция – отслеживать заряженные частицы, обнаруживая их взаимодействие с материалом в отдельных точках, выявляя подробную информацию о типах частиц и их импульсе. Магнитное поле, окружающее весь внутренний детектор, заставляет заряженные частицы искривляться; направление кривой показывает заряд частицы, а степень кривизны – ее импульс. Начальные точки треков дают полезную информацию для идентификации частиц; например, если группа треков, как представляется, происходит из точки, отличной от первоначального протон-протонного столкновения, это может быть признаком того, что частицы произошли в результате распада адрона с нижним кварком (см. b-маркировка). Внутренний детектор состоит из трех частей, которые описаны ниже.

Пиксельный детектор, самая внутренняя часть детектора, содержит три концентрических слоя и три диска на каждой торцевой крышке, в общей сложности 1744 модуля, каждый размером 2 сантиметра на 6 сантиметров. Материал обнаружения – кремний толщиной 250 мкм. Каждый модуль содержит 16 считывающих чипов и других электронных компонентов. Наименьшая единица, которую можно прочитать, – это пиксель (50 на 400 микрометров); на каждый модуль приходится примерно 47 000 пикселей. Мельчайший размер пикселя предназначен для чрезвычайно точного отслеживания в непосредственной близости от точки взаимодействия. В общей сложности Pixel Detector имеет более 80 миллионов каналов считывания, что составляет около 50% от общего количества каналов считывания всего эксперимента. Наличие такого большого количества создало значительную конструкторскую и инженерную проблему. Еще одной проблемой было излучение, которому подвергается пиксельный детектор из-за его близости к точке взаимодействия, что требует от всех компонентов радиационной закалки для продолжения работы после значительных воздействий.

Полупроводниковый трекер (SCT) является средним компонентом внутреннего детектора. По своей концепции и функциям он похож на пиксельный детектор, но с длинными узкими полосками, а не маленькими пикселями, что делает охват большей области практичным. Каждая полоса измеряет 80 микрометров на 12 сантиметров. SCT является наиболее важной частью внутреннего детектора для базового отслеживания в плоскости, перпендикулярной лучу, поскольку он измеряет частицы на гораздо большей площади, чем пиксельный детектор, с большим количеством точек выборки и приблизительно равной (хотя и одномерной) точностью , Он состоит из четырех двойных слоев кремниевых полос, имеет 6,3 миллиона каналов считывания и общую площадь 61 кв.

Tracker Radiation Tracker (TRT), самый внешний компонент внутреннего детектора, представляет собой комбинацию соломенного трекера и детектора переходного излучения. Детектирующими элементами являются дрейфовые трубки (соломинки), каждый диаметром четыре миллиметра и длиной до 144 сантиметров. Неопределенность измерений положения пути (разрешение положения) составляет около 200 микрометров. Это не так точно, как для двух других детекторов, но было необходимо уменьшить стоимость покрытия большего объема и иметь возможность обнаружения переходного излучения. Каждая соломинка заполнена газом, который ионизируется при прохождении заряженной частицы. Соломинки удерживаются при напряжении около -1 500 В, направляя отрицательные ионы к тонкой проволоке вниз по центру каждой соломинки, создавая импульс тока (сигнал) в проволоке. Провода с сигналами создают структуру «ударных» соломинок, которые позволяют определить путь частицы. Между соломками материалы с широко варьирующимися показателями преломления заставляют ультрарелятивистские заряженные частицы создавать переходное излучение и оставлять в некоторых соломках гораздо более сильные сигналы. Ксенон и газообразный аргон используются для увеличения количества соломинок с сильными сигналами. Так как количество переходного излучения является наибольшим для частиц с высокой степенью релятивизма (со скоростью, очень близкой к скорости света), и поскольку частицы с определенной энергией имеют более высокую скорость, чем они легче, пути частиц со многими очень сильными сигналами могут быть определены как принадлежащие к наиболее легким заряженным частицам: электронам и их античастицам, позитронам. TRT имеет в общей сложности около 298 000 соломинок.

калориметрических
Калориметры расположены вне соленоидального магнита, который окружает внутренний детектор. Их цель – измерить энергию частиц, поглощая ее. Существуют две основные калориметрические системы: внутренний электромагнитный калориметр и внешний адронный калориметр. Оба являются пробоотборными калориметрами; то есть они поглощают энергию в металле высокой плотности и периодически отбирают форму результирующего потока частиц, выводя энергию исходной частицы из этого измерения.

Электромагнитный (ЭМ) калориметр поглощает энергию от частиц, которые электромагнитно взаимодействуют, включая заряженные частицы и фотоны. Он обладает высокой точностью как по количеству поглощенной энергии, так и по точному расположению выделяемой энергии. Угол между траекторией частицы и осью луча детектора (или, точнее, псевдопластичностью) и ее угол в перпендикулярной плоскости измеряются с точностью примерно до 0,025 радиан. Баллонный электромагнитный калориметр имеет электроды в форме гармошки, а энергопоглощающие материалы – это свинец и нержавеющая сталь, в качестве материала для отбора проб используется жидкий аргон, а вокруг электромагнитного калориметра необходим криостат, чтобы поддерживать его достаточно холодным.

Адронный калориметр поглощает энергию частиц, которые проходят через электромагнитный калориметр, но взаимодействуют через сильную силу; эти частицы в основном адроны. Он менее точен как по величине энергии, так и по локализации (только в пределах примерно 0,1 радиана). Энергопоглощающий материал – сталь со сверкающими плитками, которые отбирают энергию. Многие характеристики калориметра выбраны из-за их экономической эффективности; Прибор большой и содержит большое количество строительного материала: основная часть калориметра – калориметр для плитки – имеет диаметр 8 метров и охватывает 12 метров вдоль оси луча. Передние секции адронного калориметра находятся внутри криостата прямого электромагнитного калориметра, и в них также используется жидкий аргон, в то время как медь и вольфрам используются в качестве поглотителей.

Мюонный спектрометр
Мюонный спектрометр представляет собой чрезвычайно большую систему слежения, состоящую из трех частей: (1) магнитное поле, создаваемое тремя тороидальными магнитами, (2) набор из 1200 камер, измеряющих с высокой пространственной точностью следы исходящих мюонов, (3) набор камер запуска с точным разрешением по времени. Протяженность этого субдетектора начинается с радиуса 4,25 м, близкого к калориметрам, до полного радиуса детектора (11 м). Его огромный размер необходим для точного измерения импульса мюонов, которые сначала проходят через все другие элементы детектора, прежде чем достичь мюонного спектрометра. Он был разработан для самостоятельного измерения импульса мюонов 100 ГэВ с точностью 3% и мюонов 1 ТэВ с точностью 10%. Было жизненно важно пойти на то, чтобы собрать такое большое оборудование, поскольку ряд интересных физических процессов можно наблюдать только при обнаружении одного или нескольких мюонов, а также потому, что полная энергия частиц в событии не может быть измерена. если мюоны были проигнорированы. Он работает аналогично внутреннему детектору, с изгибами мюонов, так что их импульс может быть измерен, хотя и с другой конфигурацией магнитного поля, более низкой пространственной точностью и гораздо большим объемом. Он также выполняет функцию простой идентификации мюонов – ожидается, что очень мало частиц других типов пройдут через калориметры и впоследствии оставят сигналы в мюонном спектрометре. Он имеет около миллиона каналов считывания, а его слои детекторов имеют общую площадь 12 000 квадратных метров.

Магнитная система
Детектор ATLAS использует две большие системы сверхпроводящих магнитов для изгибания заряженных частиц, чтобы можно было измерять их импульсы. Этот изгиб происходит из-за силы Лоренца, которая пропорциональна скорости. Поскольку все частицы, образующиеся в протонных столкновениях LHC, движутся с очень близкой скоростью света, сила на частицах с разными импульсами одинакова. (В теории относительности импульс не линейно пропорционален скорости на таких скоростях.) Таким образом, частицы с высоким импульсом изгибаются очень мало, а частицы с низким импульсом – значительно; величина кривизны может быть определена количественно, и импульс частицы может быть определен из этого значения.

Внутренний соленоид создает магнитное поле в два тесла, окружающее внутренний детектор. Это сильное магнитное поле позволяет даже очень энергичным частицам изгибаться достаточно для определения их импульса, а его почти однородное направление и сила позволяют проводить измерения очень точно. Частицы с импульсами ниже примерно 400 МэВ будут изогнуты настолько сильно, что они будут неоднократно повторяться в поле и, скорее всего, не будут измеряться; однако эта энергия очень мала по сравнению с энергией в несколько ТэВ, выделяющейся при каждом столкновении протонов.

Внешнее тороидальное магнитное поле создается восемью очень большими петлями сверхпроводящего цилиндра с воздушным сердечником и двумя тороидальными магнитами с торцевыми крышками, расположенными снаружи калориметров и внутри мюонной системы. Это магнитное поле простирается на площади 26 метров в длину и 20 метров в диаметре, и оно хранит 1,6 гигаджоулей энергии. Его магнитное поле не является однородным, потому что соленоидный магнит достаточного размера будет чрезмерно дорогим для сборки. Он варьируется от 2 до 8 Тесламетров.

Производительность детектора
Установка всех вышеперечисленных детекторов была завершена в августе 2008 года. Детекторы собирали миллионы космических лучей во время ремонта магнита, который происходил между осенью 2008 года и осенью 2009 года, до первых столкновений протонов. Детектор работал с эффективностью, близкой к 100%, и обеспечивал рабочие характеристики, очень близкие к его проектным значениям.

Передовые детекторы
Детектор ATLAS дополняется набором детекторов в самой передней области. Эти детекторы расположены в туннеле LHC далеко от точки взаимодействия. Основная идея заключается в измерении упругого рассеяния под очень малыми углами, чтобы лучше измерять абсолютную светимость в точке взаимодействия ATLAS.

Системы данных и анализ
Детектор генерирует неуправляемо большие объемы необработанных данных: около 25 мегабайт на событие (необработанное; подавление нуля уменьшает это до 1,6 МБ), умноженное на 40 миллионов пересечений луча в секунду в центре детектора. В результате получается 1 петабайт необработанных данных в секунду. Система триггеров использует простую информацию для определения в режиме реального времени наиболее интересных событий, которые необходимо сохранить для детального анализа. Есть три уровня триггера. Первый основан на электронике детектора, в то время как два других работают в основном на большом компьютерном кластере рядом с детектором. Триггер первого уровня выбирает около 100 000 событий в секунду. После применения триггера третьего уровня, несколько сотен событий остаются для дальнейшего анализа. Этот объем данных по-прежнему требует более 100 мегабайт дискового пространства в секунду – по крайней мере, петабайт каждый год.

Ранее системы считывания детекторов частиц и обнаружения событий основывались на параллельных общих шинах, таких как VMEbus или FASTBUS. Поскольку такая архитектура шины не может соответствовать требованиям к данным экспериментов LHC, все предложения системы сбора данных основаны на высокоскоростных двухточечных каналах и коммутационных сетях. Люди, разрабатывающие эксперименты LHC, оценили несколько таких сетей, включая режим асинхронной передачи, масштабируемый когерентный интерфейс, Fibre Channel, Ethernet и IEEE 1355 (SpaceWire).

Восстановление всех событий в автономном режиме выполняется для всех постоянно сохраняемых событий, превращая последовательность сигналов от детектора в физические объекты, такие как джеты, фотоны и лептоны. Грид-вычисления широко используются для реконструкции событий, что позволяет параллельно использовать университетские и лабораторные компьютерные сети по всему миру для решения задачи, требующей интенсивного использования ЦП, – преобразования больших объемов необработанных данных в форму, подходящую для физического анализа. Программное обеспечение для этих задач разрабатывалось в течение многих лет и будет продолжать совершенствоваться даже сейчас, когда эксперимент собирает данные.

Отдельные лица и группы в рамках совместной работы пишут свой собственный код для выполнения дальнейшего анализа этих объектов, поиска образцов обнаруженных частиц для конкретных физических моделей или гипотетических частиц.

Tags: