Кіріспе

CERN LHC эксперименті
CERN-дегі LHC детекторы

ATLAS – Швейцариядағы CERN (Еуропалық ядролық зерттеулер ұйымы) Үлкен адрондық коллайдеріндегі (LHC) ең ірі көп мақсатты бөлшектерді анықтау эксперименті. Эксперимент LHC-де қол жетімді беспрецеденттік энергияны пайдаланып, бұрынғы төмен энергиялы үдеткіштерде байқау мүмкін болмаған, өте ауыр бөлшектерді қамтитын құбылыстарды бақылауға арналған. ATLAS 2012 жылдың шілдесінде Хиггс бозонының табылуына қатысқан екі LHC экспериментінің бірі болды. Ол сонымен қатар Стандартты модельден тыс бөлшектер физикасы теорияларының дәлелдерін іздеуге де бағытталған. Экспериментке 42 елдегі 257 мекемеден келген 6003 мүше қатысады, оның ішінде 3822 физик (соңғы жаңарту: 26 маусым 2022 ж.).

Бөлшектерді жеделдетуші өсім

Бірінші циклотрон, бөлшектерді үдетудің ерте түрі, 1931 жылы Эрнест О. Лоуренс жасады, оның радиусы небарі бірнеше сантиметрді, ал бөлшектердің энергиясы 1 мегаэлектронвольт (MeV) құрады. Содан бері, үлкен массалы жаңа бөлшектерді өндіру мақсатында үдеткіштер едәуір үлкейді. Үдеткіштердің өсуімен қатар, оларды зерттеуге қолданылатын белгілі бөлшектердің тізімі де арта түсті.

Эксперименттік бағдарлама

ATLAS бөлшектер физикасы саласында Үлкен адрондық коллайдерде (LHC) жоғары энергиялы соқтығыстарда байқалған немесе байқалуға болатын әртүрлі процестерді зерттейді. Бұрыннан белгілі процестер үшін бұл белгілі бөлшектердің қасиеттерін одан да дәл өлшеу немесе Стандартты модельдің сандық растауларын табу туралы мәселе. Егер олар байқалса, бұған дейін байқалмаған процестер жаңа бөлшектерді ашуға немесе Стандартты модельден асып түсетін физикалық теорияларды растауға мүмкіндік береді.

Стандартты үлгі

Стандартты модель – ғаламдағы төрт белгілі негізгі күштің (электромагниттік, әлсіз және күшті өзара әсерлесулер, гравитацияны есепке алмағанда) үшеуін сипаттайтын теория, сондай-ақ барлық белгілі элементар бөлшектерді жіктейді. Ол 20-ғасырдың екінші жартысында әлемдегі көптеген ғалымдардың жұмысы арқылы кезең-кезеңмен дамытылды, қазіргі түрі 1970-жылдардың ортасында кварктардың бар екендігі эксперименттік жолмен расталғаннан кейін толыққанды аяқталды. Содан бері жоғарғы кварк (1995), тау-нейтрино (2000) және Хиггс бозонының (2012) табылуы Стандартты модельге сенімділікті арттырды. Сонымен қатар, Стандартты модель әлсіз бейтарап токтар мен W және Z бозондарының түрлі қасиеттерін жоғары дәлдікпен болжады. Стандартты модель теориялық тұрғыдан дұрыс және тәжірибелік болжамдар жасауда үлкен жетістіктерге қол жеткізгенімен, ол кейбір құбылыстарды түсіндіре алмайды және негізгі өзара әсерлесулердің толық теориясы емес. Ол бариондық асимметрияны толыққанды түсіндірмейді, жалпы салыстырмалылық теориясы сипаттағандай гравитацияның толық теориясын қамтымайды және қара энергия арқылы сипатталатын ғаламның үдемелі кеңеюін түсіндіре алмайды. Модельде байқау космологиясынан алынған қажетті қасиеттерінің барлығына ие болатын қара материя бөлшегі де жоқ. Бұған қоса, ол нейтрино осцилляцияларын және олардың нөлдік емес массаларын қамтымайды.

Жоғары кварк қасиеттері

1995 жылы Фермилаборда ашылған жоғарғы кварктің қасиеттері шамамен өлшенген болатын. Көп есе жоғары энергиясы мен соқтығысу жиілігінің арқасында, LHC үлкен мөлшерде жоғарғы кварктарды өндіреді, бұл ATLAS-қа оның массасын және басқа бөлшектермен өзара әрекеттесуін әлдеқайда дәл өлшеуге мүмкіндік береді. Бұл өлшемдер Стандартты модельдің мәліметтерін жанама түрде анықтауға көмектеседі, сондай-ақ жаңа физикаға нұсқау беретін қарама-қайшылықтарды анықтау мүмкіндігін ұсынады.

Стандартты модельден тыс

Стандартты модель кварктардың, лептондардың және нейтринолардың болуы тиіс екенін болжайды, бірақ бұл бөлшектердің массаларының неге соншалықты әртүрлі екенін түсіндірмейді (олардың арасындағы айырмашылық шамалармен ерекшеленеді). Бұдан әрі, Стандартты модельге сәйкес, нейтринолардың массасы фотон сияқты нақты нөлге тең болуы керек. Бірақ нейтринолардың массасы бар. 1998 жылы Super Kamiokande детектордағы зерттеулер нейтринолардың бір түрліліктен екіншісіне өзгеруге қабілетті екенін көрсетті, бұл олардың массасы нөлден өзгеше екенін көрсетеді. Осы және басқа да себептерге байланысты, көптеген бөлшек физиктері Стандартты модель тераэлектронвольт (TeV) деңгейінде немесе одан да жоғары энергияда бұзылуы мүмкін деп санайды. Көптеген балама теориялар, Ұлы біріктірілген теориялар (GUT) және оның ішіндегі суперсимметрия (SUSY), Стандартты модельдегіден ауыр жаңа бөлшектердің бар екенін болжайды.

Суперсимметрия

Қазіргі таңда ұсынылған теориялардың көпшілігі жаңа, жоғары массалы бөлшектерді болжайды, олардың кейбіреулері ATLAS детекторында байқалуға жеткілікті жеңіл болуы мүмкін. Суперсимметрия модельдері жаңа, өте ауыр бөлшектерді қамтиды. Көп жағдайда олар жоғары энергиялы кварктарға және тұрақты, ауыр бөлшектерге ыдырайды, олардың қалыпты материямен өзара әрекеттесуі өте аз ғана мүмкіндік бар. Тұрақты бөлшектер детектордан шығып кетеді, сигнал ретінде бір немесе бірнеше жоғары энергиялы кварк ағыны және үлкен мөлшерде "жоғалған" импульс қалдырады. Калуза-Клейн теориясындағы сияқты басқа да гипотетикалық массалық бөлшектер де ұқсас із қалдыруы мүмкін. LHC Run II аяқталысымен жиналған деректер суперсимметриялық немесе күтпеген бөлшектердің бар екенін көрсетпейді, олардың зерттеулері LHC Run III және одан кейін жиналатын деректерде жалғастырылатын болады.

CP-нің бұзылуы

Материя мен антиматерияның мінез-құлқы арасындағы асимметрия, CP бұзуы ретінде белгілі, сондай-ақ зерттелуде.

Микроскопиялық қара тесіктер

ADD моделіне негізделген кейбір гипотезалар үлкен қосымша өлшемдерді қарастырады және LHC-да микро қара тесіктер пайда болуы мүмкін екенін болжайды. Бұл қара тесіктер Хокинг сәулеленуі арқылы дереу ыдырайды, Стандартты модельдегі барлық бөлшектерді тең санда тудырады және ATLAS детекторында анық із қалдырады.

ATLAS детекторы

ATLAS детекторы 46 метр ұзын, 25 метр диаметрлі және шамамен 7000 тонна салмаққа ие; оның ішінде 3000 шақырым кабель бар.

Ішкі детектор

Ішкі детектор протондық сәуле осінен бірнеше сантиметр қашықтықта басталады, 1,2 метр радиусқа дейін созылады және сәуле түтігі бойымен 6,2 метрге дейін жалғасады. Оның негізгі функциясы – зарядталған бөлшектердің материалмен дискретті нүктелерде өзара әрекеттесуін анықтау арқылы бөлшектердің түрлері және олардың импульсі туралы толыққанды ақпаратты алу. Ішкі детектор үш бөліктен тұрады, олар төменде сипатталады. Ішкі детектордың айналасындағы магниттік өріс зарядталған бөлшектердің қисаюына себеп болады; қисаю бағыты бөлшектің зарядын, ал қисаю дәрежесі оның импульсін көрсетеді. Траекториялардың бастапқы нүктелері бөлшектерді сәйкестендіру үшін пайдалы ақпарат береді; мысалы, егер траекториялар тобы бастапқы протон-протон соқтығысынан өзгеше нүктеден шыққандай болса, бұл бөлшектердің төменгі кварк бар адронның ыдырауынан пайда болғанын көрсетеді (b-маркировканы қараңыз).

Пиксел детекторы

Пиксельдік детектордың ең ішкі бөлігі төрт концентрлі қабаттан және әр шеткі бөлігіндегі үш дискіден тұрады, олардың әрқайсысы 2 см х 6 см өлшемді 1744 модульден құралған. Детекцияланатын материалдың қалыңдығы 250 мкм кремний. Әрбір модульде 16 оқу чипі және басқа да электрондық компоненттер орналасқан. Оқылымға болатын ең кішкентай бірлік – пиксель (50 х 400 микрометр); әрбір модульде шамамен 47 000 пиксель бар. Мұндай кішкентай пиксель өлшемі өзара әрекеттесу нүктесіне өте жақын жерде өте дәл іздерді анықтау үшін жасалған. Барлығында пиксельдік детекторда 92 миллионнан астам оқу арнасы бар, бұл бүкіл детектордың оқу арналарының шамамен 50% құрайды. Осындай көп саны дизайн және инженериялық үлкен қиындықтар тудырды. Тағы бір қиындық – пиксельдік детектордың өзара әрекеттесу нүктесіне жақын орналасуынан туындаған сәулелену, сондықтан барлық компоненттердің сәулеленуға төзімді болуын қамтамасыз ету қажет болды, олар маңызды сәулелену әсерлерінен кейін де жұмыс істеуін жалғастыру үшін.

Жартылай өткізгіштік ізденгіш

Жартылай өткізгіш трекер (SCT) – ішкі детектордың ортаңғы құралы. Ол принцип және функция бойынша пикселдік детекторға ұқсас, бірақ кішкентай пиксельдердің орнына ұзын, тар жолақтарды пайдаланады, бұл үлкен аумақты қамтуға мүмкіндік береді. Әрбір жолақтың өлшемдері 80 микрометрге 12 сантиметрді құрайды. SCT – бұл сәуле бағытына перпендикуляр жазықтықтағы негізгі тректерді анықтау үшін ішкі детектордың ең маңызды бөлігі, себебі ол пикселдік детекторға қарағанда әлдеқайда үлкен аумақта бөлшектерді өлшейді, көбірек өлшем нүктелеріне ие және шамамен бірдей (бірақ бір өлшемді) дәлдікке қол жеткізеді. Ол кремний жолақтарының төрт қос қабатынан тұрады, 6,3 миллион оқу арнасын және 61 шаршы метрлік жалпы ауданы бар.

Өтпелі сәулеленуді бақылау

Ауыспалы сәулеленуді тіркегіш (TRT), ішкі детектордың ең сыртқы құралы, сабаншалы тіркегіш пен ауыспалы сәулеленуді тіркегіштің үйлесімі болып табылады. Тіркеу элементтері – дрейфтік түтіктер (сабаншалар), олардың әрқайсысының диаметрі 4 миллиметр, ал ұзындығы 144 сантиметрге дейін жетеді. Траектория позициясын өлшеудің қателігі (позициялық шешілім) шамамен 200 микрометрді құрайды. Бұл басқа екі детектордағыдай жоғары дәлдікке ие емес, бірақ үлкен көлемді қамту құнын төмендету және ауыспалы сәулеленуді тіркеу мүмкіндігін қамтамасыз ету үшін қажет болды. Әрбір сабанша газбен толтырылады, ол зарядталған бөлшек өткесімен иондалады. Сабаншалар шамамен −1,500 В кернеуде ұсталады, бұл теріс иондарды әр сабаншаның ортасындағы жіңішке сымға жетелейді, сымда ток импульсін (сигнал) тудырады. Сигналдар бар сымдар бөлшектің жолын анықтауға мүмкіндік беретін «тійіскен» сабаншалардың белгісін құрайды. Сабаншалар арасындағы әртүрлі сындыру көрсеткіштеріне ие материалдар ультрарелятивистік зарядталған бөлшектерде ауыспалы сәулеленудің пайда болуына және кейбір сабаншаларда күштірек сигналдардың пайда болуына себеп болады. Ксенон мен аргон газы күшті сигналдар беретін сабаншалардың санын арттыру үшін қолданылады. Ауыспалы сәулелену мөлшері жоғары релятивистік бөлшектерде (жарық жылдамдығына өте жақын жылдамдықпен қозғалатындарда) ең жоғары болғандықтан, және белгілі бір энергиясы бар бөлшектердің жылдамдығы олардың массасы жеңіл болған сайын артады, көптеген өте күшті сигналдар бар траекториялар ең жеңіл зарядталған бөлшектерге: электрондар мен олардың антибөлшектеріне, позитрондарға тиесілі деп анықталады. TRT-да барлығы шамамен 298 000 сабанша бар.

Калориметрлер

Калориметрлер. Екеуі де сынама алу калориметрлері, яғни олар энергияны жоғары тығыздықты металлде сіңіреді және пайда болған бөлшектер душының пішінін уақыт-уақыт өлшейді, осы өлшеулер арқылы бастапқы бөлшектің энергиясын анықтайды.

Электромагниттік калориметр

Электромагниттік (ЭМ) калориметрі зарядталған бөлшектер мен фотондарды қоса, электромагниттік әрекеттесетін бөлшектерден энергияны сіңіреді. Ол сіңірілген энергия мөлшерінің де, энергия орналасқан жерінің де жоғары дәлдігімен сипатталады. Бөлшектің траекториясы мен детектордың сәуле осі арасындағы бұрыш (немесе дәлірек айтқанда, псевдожылдамдық) және оған перпендикуляр жазықтықтағы бұрышы шамамен 0,025 радианға дейін өлшенеді. Цилиндрлі ЭМ калориметрі аккордеон тәрізді электродтарға ие, ал энергияны сіңіретін материалдар – қорғасын мен тот баспайтын болат, ал сынама алу материалы ретінде сұйық аргон қолданылады. ЭМ калориметрін жеткілікті түрде салқындап ұстау үшін оның айналасында криостат орнатылуы қажет.

Адронды калориметр

Адронды калориметр ЭМ калориметрі арқылы өтетін бөлшектердің энергиясын сіңіреді, бірақ олар күшті күш арқылы өзара әрекеттеседі; мұндай бөлшектердің көпшілігі адрондар болып табылады. Ол энергия шамасы және орналасуы (шамамен 0,1 радианға дейін) тұрғысынан аз дәл. Бұл жоғары магнит өрісі тіпті өте жоғары энергиялы бөлшектердің де импульсын анықтау үшін жеткілікті түрде иілуіне мүмкіндік береді, ал оның дерлік біркелкі бағыты мен күші өте дәл өлшемдер жасауға мүмкіндік береді. Импульсы шамамен 400 МэВ-тан төмен бөлшектер тым күшті иіліп, өрісте қайта-қайта айналып, өлшенбей қалуы мүмкін; алайда, бұл энергия әрбір протон соқтығысында бөлінетін бірнеше ТэВ энергияға қарағанда өте шағын.

Деректер жинақтау

Бұрынғы бөлшектерді анықтағыштарының деректерді оқу және оқиғаларды анықтау жүйелері VMEbus немесе FASTBUS сияқты параллель ортақ шиналарға негізделген. Мұндай шина архитектурасы LHC анықтағыштарының дерек талаптарына жете алмайтындықтан, барлық ATLAS деректерді жинау жүйелері жоғары жылдамдықты нүктеден нүктеге қосылыстар мен коммутациялық желілерге сүйенеді. Деректерді оқу және сақтау үшін жетілдірілген электроникаға қарамастан, ATLAS анықтағышы барлық деректерді оқу немесе сақтау үшін тым көп шикі деректерді жасайды: шамамен 25 МБ бір шикі оқиға үшін, детектордың ортасында секундына 40 миллион сәуле қиылысына (40 МГц) көбейтілгенде. Бұл секунд сайын 1 петабайт шикі деректерді құрайды. Әрбір оқиғаның физикалық ақпаратты қамтымайтын бос сегменттерін жазудан аулақ болғандықтан (нөлдік басу), оқиғаның орташа көлемі 1,6 МБ-қа дейін, яғни секундына 64 терабайт дерекке дейін азаяды. Оқиғаларды жылдам қайта құруды пайдаланады, соның арқасында ең қызықты оқиғаларды нақты уақытта анықтап, егжей-тегжейлі талдау үшін сақтайды. LHC-нің екінші деректерді жинау кезеңінде, Run 2-де, екі ерекше триггер деңгейі болды:

Бірінші деңгейлі триггер (L1), анықтағыш орнындағы арнайы аппараттық құралдарда іске асырылды. Оқиға деректерін сақтау немесе қабылдамау туралы шешім 2,5 мкс-тан кем уақытта қабылданады. Ол калориметрлер мен мюон спектрометрінен алынған азайтылған гранулярлық ақпаратты пайдаланады және оқудан оқиғалардың жылдамдығын 40 МГц-тен 100 кГц-ке дейін төмендетеді. Сондықтан L1 қабылдамау коэффициенті 400-ге тең. Жоғары деңгейлі триггер (HLT), бағдарламалық жасақтамада іске асырылған, шамамен 40 000 процессордан тұратын компьютерлік кластерді пайдаланады. L1-ден келетін секундына 100 000 оқиғаның қайсысын сақтау керектігін шешу үшін әрбір соқтығысудың нақты талдауы 200 мкс ішінде жүзеге асырылады. HLT толық анықтағыш гранулярлығымен, соның ішінде іздеумен қайта құрылатын қызығушылық аймақтары (RoI) деп аталатын детектордың шектеулі аймақтарын пайдаланады және энергия жинақтарын іздермен сәйкестендіруге мүмкіндік береді. HLT қабылдамау коэффициенті 100-ге тең: осы қадамнан кейін оқиғалардың жылдамдығы 100-ден 1 кГц-ке дейін төмендейді. Қалған деректер, секундына шамамен 1000 оқиғаға сәйкес келеді, одан әрі талдау үшін сақталады.

Талдау процесі

ATLAS жылына 10 петабайттан астам деректі мұрағаттайды.