Введение

Эксперимент CERN LHC, детектор LHC в CERN

ATLAS – крупнейший многоцелевой детектор частиц на Большом адронном коллайдере (LHC), ускорителе частиц в CERN (Европейской организации по ядерным исследованиям) в Швейцарии. Эксперимент разработан для использования беспрецедентной энергии, доступной на LHC, и наблюдения явлений, связанных с высокомассивными частицами, которые не могли быть обнаружены на более ранних ускорителях с меньшей энергией. ATLAS был одним из двух экспериментов LHC, участвовавших в открытии бозона Хиггса в июле 2012 года. Он также предназначен для поиска свидетельств теорий физики частиц, выходящих за рамки Стандартной модели. Эксперимент представляет собой сотрудничество, в котором участвуют 6003 участника, из которых 3822 физика (последнее обновление: 26 июня 2022 года) из 257 институтов в 42 странах.

Рост ускорителя частиц

Первый циклотрон, ранний тип ускорителя частиц, был построен Эрнестом О. Лоуренсом в 1931 году, имея радиус всего в несколько сантиметров и энергию частиц в 1 мегаэлектронвольт (МэВ). С тех пор ускорители значительно увеличились в размерах в стремлении создавать новые частицы всё большей массы. По мере увеличения размеров ускорителей рос и список известных частиц, которые можно исследовать с их помощью.

Экспериментальная программа

В области физики частиц ATLAS изучает различные типы процессов, обнаруживаемых или потенциально обнаруживаемых в высокоэнергетических столкновениях на Большом адронном коллайдере (LHC). Для уже известных процессов речь идет о все более точном измерении свойств известных частиц или о получении количественных подтверждений Стандартной модели. Наблюдение процессов, которые до сих пор не были зафиксированы, позволило бы открыть новые частицы или получить подтверждение физических теорий, выходящих за рамки Стандартной модели.

Стандартная модель

Стандартная модель физики элементарных частиц – это теория, описывающая три из четырех известных фундаментальных сил (электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия, исключая гравитацию) во Вселенной, а также классифицирующая все известные элементарные частицы. Она разрабатывалась поэтапно на протяжении второй половины XX века благодаря работе многих ученых по всему миру, а современная формулировка была завершена в середине 1970-х годов после экспериментального подтверждения существования кварков. После этого подтверждение существования топ-кварка (1995), тау-нейтрино (2000) и бозона Хиггса (2012) укрепило доверие к Стандартной модели. Кроме того, Стандартная модель с высокой точностью предсказала различные свойства слабых нейтральных токов и W- и Z-бозонов. Хотя Стандартная модель считается теоретически непротиворечивой и продемонстрировала значительные успехи в экспериментальных предсказаниях, она не объясняет некоторые явления и не является полной теорией фундаментальных взаимодействий. Она не дает полного объяснения барионной асимметрии, не включает в себя полную теорию гравитации, описанную общей теорией относительности, и не объясняет ускоряющееся расширение Вселенной, которое может быть описано темной энергией. Модель не содержит ни одной жизнеспособной частицы темной материи, обладающей всеми необходимыми свойствами, выведенными из наблюдательной космологии. Она также не учитывает нейтринные осцилляции и их ненулевую массу.

Свойства топ-кварков

Свойства верхнего кварка, открытого в Фермилабе в 1995 году, измерялись с некоторой погрешностью. Благодаря значительно более высокой энергии и интенсивности столкновений, Большой адронный коллайдер производит огромное количество топ-кварков, позволяя детектору ATLAS проводить гораздо более точные измерения его массы и взаимодействий с другими частицами. Эти измерения предоставляют косвенную информацию о деталях Стандартной модели и могут выявить несоответствия, указывающие на новую физику.

За пределами стандартной модели

В то время как Стандартная модель предсказывает существование кварков, лептонов и нейтрино, она не объясняет, почему массы этих частиц настолько сильно различаются (они отличаются на несколько порядков величины). Более того, согласно Стандартной модели, масса нейтрино должна быть точно равна нулю, как и масса фотона. Однако, нейтрино обладают массой. Результаты исследований 1998 года, полученные на детекторе Super Kamiokande, показали, что нейтрино могут осциллировать между различными типами, что указывает на ненулевую массу. По этим и другим причинам многие физики частиц полагают, что Стандартная модель может перестать быть применимой при энергиях порядка тераэлектронвольта (ТэВ) и выше. Большинство альтернативных теорий, включая Большие объединенные теории (GUT) и суперсимметрию (SUSY), предсказывают существование новых частиц с массами, превышающими массы частиц, известных из Стандартной модели.

Суперсимметрия

Большинство из предлагаемых в настоящее время теорий предсказывают существование новых частиц с большей массой, некоторые из которых могут быть достаточно легкими для наблюдения на детекторе ATLAS. Модели суперсимметрии предполагают наличие новых, чрезвычайно массивных частиц. Во многих случаях эти частицы распадаются на кварки высокой энергии и стабильные тяжелые частицы, которые крайне маловероятно взаимодействуют с обычной материей. Стабильные частицы покидают детектор, оставляя в качестве сигнала один или несколько высокоэнергетических кварковых джетов и значительное количество "неучтенного" импульса. Другие гипотетические массивные частицы, например, в теории Калуца — Клейна, могут оставлять аналогичную сигнатуру. Данные, собранные к концу второго запуска Большого адронного коллайдера, не демонстрируют признаков суперосимметричных или иных, не предсказанных теорией частиц, исследования которых будут продолжены на данных, полученных в ходе третьего запуска.

Нарушение ПП

Также изучается асимметрия в поведении материи и антиматерии, известная как нарушение CP-инвариантности.

Микроскопические черные дыры

Некоторые гипотезы, основанные на модели ADD, предполагают существование больших дополнительных измерений и предсказывают, что на Большом адронном коллайдере (БАК) могут образовываться микроскопические чёрные дыры. Эти чёрные дыры немедленно распадались бы посредством излучения Хокинга, производя все частицы Стандартной модели в равных количествах и оставляя однозначный сигнал в детекторе ATLAS.

детектор ATLAS

Детектор ATLAS имеет длину 46 метров, диаметр 25 метров и вес около 7000 тонн; он содержит около 3000 км кабелей.

Внутренний детектор

Внутренний детектор начинается в нескольких сантиметрах от оси протонового пучка, простирается до радиуса 1,2 метра и имеет длину 6,2 метра вдоль лучепровода. Его основная функция – регистрировать траектории заряженных частиц, определяя их взаимодействие с веществом в дискретных точках, что позволяет получить детальную информацию о типах частиц и их импульсе. Внутренний детектор состоит из трех частей, которые описаны ниже. Магнитное поле, окружающее весь внутренний детектор, заставляет заряженные частицы изгибаться; направление изгиба указывает на заряд частицы, а степень изгиба – на ее импульс. Начальные точки траекторий предоставляют полезную информацию для идентификации частиц; например, если группа траекторий, кажется, исходит из точки, отличной от точки первоначального столкновения протонов, это может свидетельствовать о том, что частицы образовались при распаде адрона, содержащего b-кварк (см. b-маркировку).

Пиксельный детектор

Пиксельный детектор, являющийся самой внутренней частью детектора, состоит из четырех концентрических слоев и трех дисков на каждом торце, в общей сложности 1744 модуля, каждый размером 2 на 6 сантиметров. В качестве детектора используется кремний толщиной 250 мкм. Каждый модуль содержит 16 считывающих чипов и другие электронные компоненты. Наименьшей считываемой единицей является пиксель (50 на 400 микрометров); на каждый модуль приходится примерно 47 000 пикселей. Малый размер пикселей предназначен для высокоточной регистрации траекторий частиц вблизи точки взаимодействия. В целом, пиксельный детектор имеет более 92 миллионов каналов считывания, что составляет около 50% от общего числа каналов считывания всего детектора. Такое большое количество каналов представляло собой значительную задачу для проектировщиков и инженеров. Еще одной проблемой является радиационное воздействие, которому подвергается пиксельный детектор из-за его близости к точке взаимодействия, что потребовало радиационной стойкости всех компонентов для обеспечения их работоспособности после значительного облучения.

Полупроводниковый трекер

Полупроводниковый трекер (SCT) является средним компонентом внутреннего детектора. Он схож по концепции и функции с пиксельным детектором, но использует длинные узкие полосы вместо маленьких пикселей, что позволяет практически охватить большую площадь. Каждая полоса имеет размеры 80 микрометров на 12 сантиметров. SCT является наиболее важной частью внутреннего детектора для базового трекинга в плоскости, перпендикулярной направлению пучка, поскольку он измеряет частицы на гораздо большей площади, чем пиксельный детектор, с большим количеством точек измерения и примерно такой же (хотя и одномерной) точностью. Он состоит из четырех двойных слоев кремниевых полос, содержит 6,3 миллиона каналов считывания и имеет общую площадь 61 квадратный метр.

Следопыт переходного излучения

Транзиционный радиационный детектор (TRT), являющийся внешним компонентом внутреннего детектора, представляет собой комбинацию трековой камеры и детектора переходного излучения. Обнаруживающими элементами служат дрейфовые трубки (соломинки) диаметром 4 мм и длиной до 144 см. Неопределенность измерений положения траектории (разрешение по положению) составляет около 200 микрометров. Это менее точно, чем для двух других детекторов, но было необходимо для снижения стоимости покрытия большего объема и обеспечения возможности регистрации переходного излучения. Каждая соломинка заполнена газом, который ионизируется при прохождении через нее заряженной частицы. Соломинки поддерживаются под напряжением около −1500 В, что приводит к движению отрицательных ионов к тонкой проволоке в центре каждой соломинки, создавая импульс тока (сигнал) в проволоке. Проволоки с сигналами формируют картину "попаданий" в соломинки, позволяющую определить траекторию частицы. Между соломинками материалы с сильно различающимися показателями преломления заставляют ультрарелятивистские заряженные частицы излучать переходное излучение и оставлять значительно более сильные сигналы в некоторых соломинках. Для увеличения числа соломинок с сильными сигналами используется смесь ксенона и аргона. Поскольку интенсивность переходного излучения максимальна для высокорелятивистских частиц (скорость которых очень близка к скорости света), а частицы с определенной энергией имеют более высокую скорость, чем легче они, траектории частиц с большим количеством очень сильных сигналов могут быть идентифицированы как принадлежащие самым легким заряженным частицам: электронам и их античастицам, позитронам. В TRT используется в общей сложности около 298 000 соломинок.

Калориметры

Калориметры. Оба являются сэмплинг-калориметрами, то есть они поглощают энергию в металле высокой плотности и периодически измеряют форму образовавшегося каскада частиц, определяя энергию исходной частицы на основе этих измерений.

Электромагнитный калориметр

Электромагнитный (ЭМ) калориметр поглощает энергию частиц, взаимодействующих электромагнитно, включая заряженные частицы и фотоны. Он отличается высокой точностью как в измерении количества поглощенной энергии, так и в определении точного места её отложения. Угол между траекторией частицы и осью пучка детектора (или, точнее, псевдоскоростью) и угол в перпендикулярной плоскости измеряются с точностью около 0,025 радиан. Электроды баррельного ЭМ-калориметра имеют гармошкообразную форму, а в качестве поглощающих материалов используются свинец и нержавеющая сталь, с жидким аргоном в качестве материала для дискретизации. Для поддержания необходимой температуры вокруг ЭМ-калориметра требуется криостат.

Адронный калориметр

Адронный калориметр поглощает энергию частиц, прошедших через электромагнитный калориметр, но взаимодействующих посредством сильного взаимодействия; эти частицы в основном являются адронами. Он менее точен как по величине энергии, так и по локализации (в пределах примерно 0,1 радиана). Высокое магнитное поле позволяет даже очень энергичным частицам достаточно искривляться для определения их импульса, а его почти однородное направление и напряженность обеспечивают высокую точность измерений. Частицы с импульсами ниже примерно 400 МэВ будут искривляться настолько сильно, что будут многократно закручиваться в поле и, скорее всего, не будут измерены; однако эта энергия очень мала по сравнению с несколькими ТэВ энергии, высвобождаемой в каждом столкновении протонов.

Создание данных

Ранние системы считывания данных и обнаружения событий были основаны на параллельных общих шинах, таких как VMEbus или FASTBUS. Поскольку такая архитектура шины не справляется с требованиями к данным детекторов Большого адронного коллайдера (LHC), все системы сбора данных ATLAS используют высокоскоростные каналы связи типа «точка-точка» и коммутационные сети. Даже при использовании передовой электроники для считывания и хранения данных, детектор ATLAS генерирует слишком большой объем необработанных данных для считывания или хранения всего объема: около 25 МБ на одно необработанное событие, умноженное на 40 миллионов столкновений пучков в секунду (40 МГц) в центре детектора. Это приводит к образованию в общей сложности 1 петабайта необработанных данных в секунду. Благодаря исключению записи пустых сегментов каждого события (подавление нулей), которые не содержат физической информации, средний размер события уменьшается до 1,6 МБ, что составляет в общей сложности 64 терабайта данных в секунду. Для выявления в реальном времени наиболее интересных событий, подлежащих сохранению для детального анализа, используется быстрая реконструкция событий. Во втором периоде сбора данных на LHC, в ходе Run 2, использовались два различных уровня триггера:

Триггер первого уровня (L1), реализованный на специализированном оборудовании непосредственно на детекторе. Решение о сохранении или отклонении данных события принимается менее чем за 2,5 мкс. Он использует информацию с пониженной гранулярностью от калориметров и мюонного спектрометра, снижая частоту событий, поступающих на считывание, с 40 МГц до 100 кГц. Таким образом, коэффициент отбраковки на L1 составляет 400. Высокоуровневый триггер (HLT), реализованный в программном обеспечении, использует вычислительный комплекс, состоящий примерно из 40 000 процессоров. Для определения того, какие из 100 000 событий в секунду, поступающих с L1, следует сохранить, проводится специализированный анализ каждого столкновения в течение 200 мкс. HLT использует ограниченные области детектора, так называемые Области интереса (Regions of Interest, RoI), которые реконструируются с полной гранулярностью детектора, включая трековое определение, и позволяет сопоставлять энергетические вклады с треками. Коэффициент отбраковки на HLT составляет 100: после этого этапа частота событий снижается с 100 до 1 кГц. Оставшиеся данные, соответствующие примерно 1000 событиям в секунду, сохраняются для дальнейшего анализа.

Процесс анализа

ATLAS постоянно записывает более 10 петабайт данных в год.