ATLAS实验,欧洲核子研究组织,瑞士日内瓦

ATLAS(环形LHC装置)是在瑞士CERN(欧洲核研究组织)的粒子加速器大型强子对撞机(LHC)上构建的七个粒子探测器实验之一。该实验旨在利用大型强子对撞机可用的前所未有的能量,并观察涉及使用早期低能加速器无法观察到的高质量粒子的现象。 ATLAS是2012年7月发现希格斯玻色子的两个LHC实验之一。它还旨在寻找超出标准模型的粒子物理理论的证据。

ATLAS探测器长46米,直径25米,重约7,000吨;它包含约3000公里的电缆。该实验是一项合作,涉及来自38个国家的175个机构的大约3,000名物理学家。该项目由Peter Jenni领导,为期15年,2009年至2013年由Fabiola Gianotti领导,2013年至2017年由David Charlton领导,之后由Karl Jakobs领导。

CERN
欧洲核子研究组织(European Organization for Nuclear Research 法语:Organisation européenne pour la recherche nucléaire),即CERN(源自Conseil européenpour la recherche nucléaire),是一个欧洲研究组织,经营着世界上最大的粒子物理实验室。该组织成立于1954年,总部位于日内瓦西北郊的法国 – 瑞士边境,拥有23个成员国。以色列是唯一获得正式成员资格的非欧洲国家。欧洲核子研究中心是联合国官方观察员。

首字母缩略词CERN也用于指实验室,该实验室在2016年拥有2,500名科学,技术和行政人员,并托管了大约12,000名用户。同年,CERN生成了49 PB的数据。

欧洲核子研究中心的主要功能是提供高能物理研究所需的粒子加速器和其他基础设施 – 因此,通过国际合作在欧洲核子研究中心建立了许多实验。 Meyrin的主站点拥有一个大型计算设施,主要用于存储和分析实验数据,以及模拟事件。研究人员需要远程访问这些设施,因此该实验室历来是一个主要的广域网中心。 CERN也是万维网的诞生地。

ATLAS
第一个回旋加速器是早期类型的粒子加速器,由Ernest O. Lawrence于1931年建造,半径仅为几厘米,粒子能量为1兆电子伏(MeV)。从那时起,加速器在寻求生产质量越来越大的新颗粒方面取得了巨大的进步。随着加速器的增长,已知颗粒的列表也可能被用于研究。目前可用的最全面的粒子相互作用模型被称为粒子物理学的标准模型。

除了现在由ATLAS和CMS实验检测到的希格斯玻色子的重要例外之外,通过先前的实验已经观察到模型预测的所有粒子。虽然标准模型预测夸克,电子和中微子应该存在,但它并不能解释为什么这些粒子的质量会有数量级的差异。由于这个原因,许多粒子物理学家认为标准模型可能会在teraelectronvolt(TeV)或更高的能级下发生故障。如果观察到这种超标准模型物理学,则可以开发出一种新模型,该模型与迄今探测到的能量的标准模型相同,以描述更高能量的粒子物理学。目前提出的大多数理论预测新的高质量粒子,其中一些可能足够轻,可以被ATLAS观察到。

ATLAS旨在成为通用检测器。当大型强子对撞机产生的质子束在探测器的中心相互作用时,会产生各种能量范围广泛的不同粒子。 ATLAS不是专注于特定的物理过程,而是设计用于测量最广泛的信号范围。这旨在确保任何新的物理过程或粒子可能采取的形式,ATLAS将能够检测它们并测量它们的属性。早期碰撞器的实验,例如Tevatron和大型电子 – 正电子对撞机,是基于类似的理念设计的。然而,大型强子对撞机的独特挑战 – 其前所未有的能量和极高的碰撞率 – 要求ATLAS比以前的实验更大,更复杂。

在周长27公里处,大型强子对撞机(LHC)将两束质子碰撞在一起,每个质子携带高达6.5 TeV的能量 – 足以产生质量明显大于目前已知的任何粒子的粒子,如果这些粒子存在的话。 ATLAS旨在检测这些粒子,即它们的质量,动量,能量,寿命,电荷和核自旋。为了识别在粒子束碰撞的相互作用点处产生的所有粒子,探测器被设计成由不同类型的探测器组成的层,每个探测器被设计用于观察特定类型的粒子。粒子在探测器的每一层中留下的不同痕迹允许有效的粒子识别和精确的能量和动量测量。 (探测器中每层的作用将在下面讨论。)当加速器产生的粒子能量增加时,附着在其上的探测器必须生长,以有效地测量和阻止高能粒子。截至2017年,ATLAS是有史以来最大的粒子对撞机探测器。

物理课程
ATLAS研究了许多不同类型的物理学,这些物理学可能在大型强子对撞机的能量碰撞中变得可检测到。其中一些是标准模型的确认或改进的测量,而许多其他可能是新物理理论的线索。

ATLAS最重要的目标之一是调查标准模型的缺失部分,希格斯玻色子。希格斯机制,包括希格斯玻色子,给基本粒子带来质量,通过给予W和Z玻色子质量同时使光子无质量,导致弱力和电磁之间的差异。 2012年7月4日,ATLAS与其在LHC的姊妹实验CMS一起报告了在5 sigma的置信水平下存在与希格斯玻色子一致的粒子的证据,质量约为125 GeV,或133次质子质量。这种新的“希格斯样”粒子通过衰变为两个光子并衰变为四个轻子来检测。 2013年3月,根据最新的ATLAS和CMS结果,CERN宣布新粒子确实是希格斯玻色子。实验还能够表明粒子的性质以及它与其他粒子相互作用的方式与希格斯玻色子的性质很好地匹配,希格斯玻色子预期具有自旋0和正奇偶性。分析2015年和2016年收集的颗粒和数据的更多属性进一步证实了这一点。 2013年,两位预测标准模型希格斯玻色子存在的理论物理学家Peter Higgs和FrançoisEnglert被授予诺贝尔物理学奖。

物质和反物质的行为之间的不对称性,即CP违规,也正在研究中。最近用于测量CP违规的实验,例如BaBar和Belle,在标准模型中没有检测到足够的CP违反,以解释宇宙中缺乏可检测的反物质。新的物理模型可能会引入额外的CP违规,从而揭示这个问题。支持这些模型的证据可以通过新粒子的产生直接检测,也可以通过测量B-和D-介子的性质间接检测。 LHCb是一种专门用于B介子的LHC实验,可能更适合后者。

到目前为止,费米实验室于1995年发现的顶夸克的性质仅得到了近似的测量。 LHC具有更大的能量和更大的碰撞率,可产生大量顶夸克,使ATLAS能够更精确地测量其质量和与其他粒子的相互作用。这些测量将提供有关标准模型细节的间接信息,并可能揭示指向新物理的不一致性。将对其他已知颗粒进行类似的精确测量;例如,ATLAS最终可能比以前更精确地测量W玻色子的质量两倍。

目前许多研究主题的一个理论是超对称性。超对称性可以解决理论物理学中的许多问题,例如规范理论中的等级问题,并且几乎存在于弦理论的所有模型中。超对称模型涉及新的高质量粒子。在许多情况下,这些衰变成高能量夸克和稳定的重粒子,这些粒子不太可能与普通物质相互作用。稳定的粒子将逃离探测器,留下一个或多个高能夸克射流和大量“缺失”动量的信号。其他假设的大质量粒子,如Kaluza-Klein理论中的那些,可能会留下类似的特征,但他们的发现肯定表明存在某种超出标准模型的物理学。

微观黑洞
基于ADD模型的一些假设涉及大的额外维度并且预测LHC可以形成微黑洞。这些会立即通过霍金辐射衰变,在标准模型中产生相同数量的所有粒子,并在ATLAS探测器中留下明确的特征。

组件
ATLAS探测器由一系列围绕相互作用点的更大的同心圆柱体组成,来自LHC的质子束碰撞。它可以分为四个主要部分:内部探测器,量热计,Muon光谱仪和磁体系统。这些中的每一个又由多个层组成。探测器是互补的:内部探测器精确地跟踪粒子,量热器测量容易停止的粒子的能量,μ子系统对高度穿透的μ子进行额外的测量。两个磁体系统在内部探测器和Muon光谱仪中弯曲带电粒子,从而可以测量它们的动量。

唯一建立的不能直接探测到的稳定粒子是中微子;通过测量检测到的粒子之间的动量不平衡来推断它们的存在。为了使其工作,探测器必须是“密封的”,这意味着它必须检测所有产生的非中微子,没有盲点。在质子束周围的高辐射区域保持探测器性能是一项重大的工程挑战。

内部探测器
内部探测器从质子束轴开始几厘米,延伸到半径1.2米,沿着射束管长6.2米。其基本功能是通过检测带电粒子在离散点处与材料的相互作用来跟踪带电粒子,揭示有关粒子类型及其动量的详细信息。围绕整个内部探测器的磁场使带电粒子弯曲;曲线的方向显示了粒子的电荷,曲率的高度揭示了它的动量。轨道的起点产生了识别粒子的有用信息;例如,如果一组轨道似乎来自原始质子 – 质子碰撞之外的点,这可能表明粒子来自具有底夸克的强子的衰变(参见b标记)。内部探测器有三个部分,下面将对其进行说明。

像素探测器是探测器的最里面,每个端盖上有三个同心层和三个磁盘,共有1,744个模块,每个模块的尺寸为2厘米乘6厘米。检测材料为250μm厚的硅。每个模块包含16个读出芯片和其他电子元件。可以读出的最小单位是像素(50乘400微米);每个模块大约有47,000个像素。分钟像素大小设计用于非常精确的跟踪,非常靠近交互点。总的来说,像素检测器具有超过8000万个读出通道,大约占整个实验总读出通道的50%。如此庞大的数量造成了相当大的设计和工程挑战。另一个挑战是像素探测器由于接近交互点而暴露的辐射,要求所有组件都经过辐射硬化,以便在显着曝光后继续工作。

半导体跟踪器(SCT)是内部探测器的中间组件。它在概念和功能上与像素探测器类似,但是具有长而窄的条带而不是小像素,使得更大区域的覆盖更实用。每个条带的尺寸为80微米×12厘米。 SCT是内部探测器中最关键的部分,用于在垂直于光束的平面内进行基本跟踪,因为它可以在比像素探测器大得多的区域内测量粒子,具有更多的采样点和大致相等(尽管是一维的)精度。它由四层双层硅片组成,具有630万个读出通道,总面积为61平方米。

过渡辐射跟踪器(TRT)是内部探测器的最外部组件,是秸秆跟踪器和过渡辐射探测器的组合。检测元件是漂移管(吸管),每个直径为4毫米,长达144厘米。轨道位置测量(位置分辨率)的不确定性约为200微米。这不如其他两个探测器那样精确,但必须降低覆盖较大体积的成本并具有过渡辐射探测能力。每根吸管充满气体,当带电粒子通过时,气体会被电离。吸管保持在约-1,500V,将负离子驱动到每根吸管中心的细线上,在导线中产生电流脉冲(信号)。带有信号的电线产生“击中”吸管的模式,允许确定颗粒的路径。在吸管之间,具有广泛变化的折射率的材料导致超相对论带电粒子产生过渡辐射并在一些吸管中留下更强的信号。氙气和氩气用于增加信号强的吸管数量。由于高相对论粒子(速度非常接近光速的粒子)的过渡辐射量最大,并且因为特定能量的粒子具有更高的速度,所以它们更轻,具有许多非常强信号的粒子路径可以是被确定为属于最轻的带电粒子:电子及其反粒子,正电子。 TRT共有约298,000根吸管。

量热仪
量热计位于围绕内部探测器的螺线管磁铁外部。它们的目的是通过吸收颗粒来测量颗粒的能量。有两种基本的热量计系统:内部电磁热量计和外部强子热量计。两者都是采样量热计;也就是说,它们吸收高密度金属中的能量并定期对所得颗粒喷淋物的形状进行采样,从而通过该测量推断出原始颗粒的能量。

电磁(EM)量热计从电磁相互作用的粒子中吸收能量,这些粒子包括带电粒子和光子。它具有高精度,包括吸收的能量和沉积的能量的精确位置。粒子的轨迹与探测器的光束轴之间的角度(或者更准确地说是伪赝度)和它在垂直平面内的角度都被测量到大约0.025弧度内。桶式EM量热计具有手风琴形电极,能量吸收材料为铅和不锈钢,液氩作为取样材料,EM热量计周围需要一个低温恒温器,以保持足够的冷却。

强子热量计从通过EM量热计的粒子中吸收能量,但通过强力相互作用;这些粒子主要是强子。它在能量大小和定位方面都不太精确(仅在0.1弧度以内)。能量吸收材料是钢,带有闪烁的瓷砖,可以对沉积的能量进行采样。热量计的许多功能都是根据其成本效益来选择的;仪器很大,包含大量的建筑材料:热量计的主要部分 – 瓷砖热量计 – 直径为8米,沿光束轴线覆盖12米。强力量热计的远端部分包含在前置EM量热仪的低温恒温器中,并且也使用液态氩,而铜和钨用作吸收剂。

Muon光谱仪
Muon光谱仪是一个非常大的跟踪系统,由三部分组成:(1)由三个环形磁铁提供的磁场,(2)一组1200个腔室,以高空间精度测量输出μ子的轨道,(3)一组具有精确时间分辨率的触发室。该子探测器的范围从接近量热计的4.25米半径开始,直至探测器的整个半径(11米)。需要巨大的尺寸来精确测量μ子的动量,μ子首先在到达μ子光谱仪之前通过探测器的所有其他元件。它被设计用于独立测量100 GeVμ子的动量,准确度为3%,1 TeVμ子,精度为10%。至关重要的是要将这么大的设备放在一起,因为只有在检测到一个或多个μ子时才能观察到许多有趣的物理过程,并且因为无法测量事件中粒子的总能量如果μ子被忽略了它的功能类似于内部探测器,使用μ子弯曲以便可以测量它们的动量,尽管具有不同的磁场配置,较低的空间精度和更大的体积。它还具有简单识别μ子的功能 – 预计很少有其他类型的颗粒通过量热计,然后在Muon光谱仪中留下信号。它有大约一百万个读出通道,其探测器层总面积为12,000平方米。

磁铁系统
ATLAS探测器使用两个大型超导磁体系统来弯曲带电粒子,以便测量它们的动量。这种弯曲是由洛伦兹力引起的,洛伦兹力与速度成正比。由于大型强子对撞机质子碰撞中产生的所有粒子都以非常接近光速的速度行进,因此不同动量粒子上的力是相等的。 (在相对论中,动量与这种速度下的速度不成线性关系。)因此,高动量粒子曲线非常小,而低动量粒子曲线明显变化;可以量化曲率量,并且可以从该值确定粒子动量。

内部螺线管在内部探测器周围产生两个特斯拉磁场。这种高磁场允许甚至非常高能量的粒子曲线足以确定其动量,并且其几乎均匀的方向和强度允许非常精确地进行测量。动量值低于约400 MeV的粒子会弯曲得如此强烈以至于它们会在场中反复循环并且很可能无法测量;然而,与每次质子碰撞中释放的几个TeV能量相比,这种能量非常小。

外部环形磁场由八个非常大的空心超导桶环和两个端盖空气环形磁铁产生,所有这些都位于量热计外部和μ子系统内。该磁场在26米长,20米直径的区域内延伸,并储存1.6千兆焦耳的能量。其磁场不均匀,因为足够大的螺线管磁铁的制造成本过高。它在2到8特斯拉计之间变化。

探测器性能
所有上述探测器的安装于2008年8月完成。在第一次质子碰撞之前,探测器在2008年秋季至2009年秋季之间的磁体修复过程中收集了数百万条宇宙射线。探测器以接近100%的效率运行,并提供非常接近其设计值的性能特征。

前向探测器
ATLAS探测器由最前部区域的一组探测器补充。这些探测器位于远离交互点的LHC隧道中。基本思想是在非常小的角度测量弹性散射,以便在ATLAS相互作用点产生更好的绝对光度测量。

数据系统和分析
探测器生成无法管理的大量原始数据:每个事件大约25兆字节(原始;零抑制将此值减少到1.6 MB),在探测器中心每秒乘以4000万个光束交叉点。这每秒产生总共1 PB的原始数据。触发系统使用简单信息实时识别最有趣的事件以保留详细分析。有三个触发级别。第一种是基于探测器上的电子设备,而另外两种主要在探测器附近的大型计算机集群上运行。第一级触发器每秒选择大约100,000个事件。应用第三级触发器后,仍有几百个事件需要存储以供进一步分析。这一数据量仍然需要每秒超过100兆字节的磁盘空间 – 每年至少为1千兆字节。

早期的粒子检测器读出和事件检测系统基于并行共享总线,如VMEbus或FASTBUS。由于这种总线架构无法满足LHC实验的数据要求,因此所有数据采集系统建议都依赖于高速点对点链路和交换网络。设计LHC实验的人们评估了几种这样的网络,包括异步传输模式,可伸缩相干接口,光纤通道,以太网和IEEE 1355(SpaceWire)。

对所有永久存储的事件执行离线事件重建,将来自探测器的信号模式转换为物理对象,例如喷流,光子和轻子。网格计算被广泛用于事件重建,允许在全世界并行使用大学和实验室计算机网络来执行CPU密集型任务,即将大量原始数据减少为适合物理分析的形式。用于这些任务的软件已经开发多年,并且即使现在实验正在收集数据,也将继续进行改进。

合作中的个人和团体正在编写自己的代码以执行对这些对象的进一步分析,搜索特定物理模型或假设粒子的检测到的粒子的模式。

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