Expérience ATLAS
Renseignements généraux
SOS Enfants, un organisme de bienfaisance de l'éducation , a organisé cette sélection. enfants SOS est le plus grand don de charité du monde enfants orphelins et abandonnés la chance de la vie familiale.
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| Les expériences du LHC | |
|---|---|
| ATLAS | A Toroidal LHC |
| CMS | Compact Muon Solenoid |
| LHCb | LHC-beauté |
| ALICE | Une Grande Expérience Ion Collider |
| TOTEM | Section totale, élastique diffusion et diffraction dissociation |
| LHCf | LHC-forward |
| MoEDAL | Monopole et Exotics détecteur du LHC |
| Preaccelerators LHC | |
| p et Pb | Les accélérateurs linéaires pour protons (Linac 2) et de plomb (Linac 3) |
| (Non marqué) | Proton Synchrotron Booster |
| PS | Proton Synchrotron |
| SPS | Super synchrotron à protons |
Coordonnées: 46 ° 14'8 "N 6 ° 3'19" E
ATLAS (A T oroidal L HC A pparatu S) est l'un des six expériences de détection de particules ( ALICE, ATLAS, CMS, TOTEM, LHCb, et LHCf) actuellement en construction au Large Hadron Collider (LHC), un nouveau accélérateur de particules de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire ( CERN) en Suisse . Une fois terminé, sera ATLAS 46 mètres de long et 25 mètres de diamètre et pèsera environ 7000 tonnes. Le projet comprend environ 2000 scientifiques et ingénieurs de 165 institutions dans 35 pays. La construction devait être achevé en Juin 2007 , mais est maintenant déclaré être Avril ou la mi- 2008 . L'expérience est conçue pour observer des phénomènes qui impliquent fortement massif particules qui ne étaient pas observables à l'aide antérieures-inférieur énergie des accélérateurs et pourraient faire la lumière sur la nouvelle théories de la physique des particules au-delà du modèle standard .
La collaboration ATLAS, le groupe de physiciens construction du détecteur, a été formé en 1992 lorsque le EAGLE proposé (E de Xperiment pour un ccurate G amma, L Epton et É nergie mesures) et ASCOT (A ppareils avec S uper CO nducting T oroids) collaborations fusionné leurs efforts dans la construction d'une seule , détecteur de particules polyvalent pour le Grand collisionneur de hadrons. La conception a été une combinaison de ces deux modèles précédents, ainsi que la recherche et le développement détecteur qui avait été fait pour le Superconducting Supercollider. L'expérience ATLAS a été proposée dans sa forme actuelle en 1994 , et officiellement financé par les pays membres du CERN à compter de 1995 . D'autres pays, les universités , et laboratoires rejoint dans les années suivantes, et d'autres institutions et les physiciens continuent à se joindre à la collaboration, même aujourd'hui. Le travail de construction a commencé dans les établissements individuels, avec des composants de détection expédiés au CERN et assemblés dans la fosse expérimentale ATLAS à partir de 2003 .
ATLAS est conçu comme un détecteur à usage général. Lorsque le proton faisceaux produits par le LHC interagissent dans le centre du détecteur, une variété de différentes particules ayant une large gamme d'énergies peut être produit. Plutôt que de se concentrer sur un procédé physique particulier, ATLAS est conçu pour mesurer le plus large éventail possible de signaux. Cette mesure vise à se assurer que, peu importe la forme de nouveaux processus physiques ou des particules pourraient prendre, ATLAS sera en mesure de les détecter et de mesurer leurs propriétés. Des expériences à collisionneurs antérieurs, tels que la Tevatron et Large Electron-Positron Collider, ont été conçus sur la base de la même philosophie. Cependant, les défis uniques du Grand collisionneur de hadrons énergie-son sans précédent et extrêmement élevé taux de collisions nécessitent ATLAS à être plus grande et plus complexe que ne importe quel détecteur jamais construit.
Fond
La première cyclotron, un type précoce de l'accélérateur de particules, a été construit par Ernest O. Lawrence en 1931, avec un rayon de quelques centimètres et une particule d'énergie de 1 MeV. Depuis lors, les accélérateurs ont énormément augmenté dans la quête pour produire de nouvelles particules de plus en plus grande masse . Comme accélérateurs ont grandi, donc a trop la liste des particules connues qu'ils pourraient être utilisés pour enquêter. Le modèle le plus complet des interactions de particules disponibles aujourd'hui est connu comme le modèle standard de la physique des particules . À l'exception notable de la Boson de Higgs, toutes les particules prédites par le modèle ont été observés. Alors que le modèle standard prédit que les quarks, les électrons et les neutrinos doivent exister, il ne explique pas pourquoi les masses des particules sont tellement différents. En raison de cette violation de la «naturalité» la plupart des physiciens des particules croient qu'il est possible que le modèle standard se décomposera à des énergies au-delà de la frontière actuelle de l'énergie d'environ un TeV (fixé au Tevatron). Si un tel physique au-delà-du-Standard-modèle est observé, il est à espérer que d'un nouveau modèle, qui est identique au modèle standard à des énergies jusqu'à présent sondés, peut être développé pour décrire la physique des particules à des énergies plus élevées. La plupart des théories proposées actuellement prédisent de nouvelles particules de masse supérieure, dont certains sont espérait être suffisamment léger pour être observé par ATLAS. À 27 kilomètres à circonférence, la Large Hadron Collider (LHC) sera collision deux faisceaux de protons ensemble, chaque proton transportant environ 7 TeV d'énergie - assez d'énergie pour produire des particules avec des masses jusqu'à environ dix fois plus massives que toutes les particules connues actuellement - en supposant bien sûr que ces particules existent. Avec une énergie sept millions de fois celle du premier accélérateur du LHC représente une «nouvelle génération» des accélérateurs de particules.
Les particules qui sont produites dans les accélérateurs doivent être respectées, et ce est la tâche de détecteurs de particules. Bien phénomènes intéressants peut se produire lorsque des protons entrent en collision, il ne suffit pas de les produire. détecteurs de particules doivent être construits pour détecter les particules, leurs masses, l'élan , les énergies , les frais, et spins nucléaires. Afin d'identifier toutes les particules produites au point où les particules entrent en collision des faisceaux, détecteurs de particules sont généralement conçus avec une similarité à un oignon interaction. Les couches sont constitués de détecteurs de types différents, dont chacun est apte à observer certains types de particules. Les différentes caractéristiques des particules qui quittent dans chaque couche du détecteur permettent efficace l'identification des particules et des mesures précises de l'énergie et l'élan. (Le rôle de chaque couche dans le détecteur est discutée ci-dessous .) Comme l'énergie des particules produites par l'accélérateur augmente, les détecteurs qui s'y rattachent doivent croître à mesurer et à arrêter les particules de haute énergie efficacement. Une fois terminé, ATLAS sera le plus grand jamais construit détecteur à un collisionneur de particules.
programme de Physique
ATLAS est destiné à enquêter sur de nombreux types différents de la physique qui pourraient devenir détectable dans les collisions énergétiques du LHC. Certains d'entre eux sont des confirmations ou des mesures améliorées du Modèle Standard , alors que d'autres sont des recherches pour de nouvelles théories physiques.
L'un des objectifs les plus importants de l'Atlas est d'enquêter sur une pièce manquante du modèle standard, le Boson de Higgs. Le Mécanisme de Higgs, qui comprend le boson de Higgs, est invoquée pour donner masses des particules élémentaires, donnant lieu à des différences entre les force faible et l'électromagnétisme en donnant la Masses bosons W et Z tout en laissant le photon de masse nulle. Si le boson de Higgs ne est pas découvert par ATLAS, il est prévu que d'un autre mécanisme brisure de symétrie électrofaible qui explique les mêmes phénomènes, tels que technicolor, sera découvert. Le modèle standard est tout simplement pas mathématiquement cohérente aux énergies du LHC sans un tel mécanisme. Le boson de Higgs serait détectée par les particules, il se désintègre en; les plus faciles à observer sont deux photons , deux quarks, ou quatre leptons. Parfois, ces désintégrations ne peuvent être définitivement identifiés comme provenant avec le boson de Higgs quand ils sont associés à des particules supplémentaires; pour un exemple de cela, voir le schéma à droite.
L'asymétrie entre le comportement de la matière et antimatière, connu sous le nom La violation de CP, sera également étudiée. Actuelles expériences CP-abus, tels que BaBar et Belle, ne ont pas encore détecté suffisamment violation de CP dans le Modèle Standard pour expliquer l'absence d'antimatière dans l'univers détectable. Il est possible que les nouveaux modèles de la physique vont introduire supplémentaires violation de CP, faire la lumière sur ce problème; ces modèles peuvent être détectés soit directement par la production de nouvelles particules, ou indirectement par des mesures faites des propriétés de B- mésons. ( LHCb, une expérience du LHC dédiée à mésons B, est susceptible d'être mieux adapté à ce dernier.)
Le quark top, découvert à Fermilab en 1995, a eu jusqu'à présent ses propriétés mesurées seulement environ. Avec beaucoup plus de l'énergie et des taux plus élevés de collision, LHC va produire un très grand nombre de quarks top, permettant d'effectuer des mesures ATLAS beaucoup plus précises de sa masse et les interactions avec d'autres particules. Ces mesures fourniront des informations indirectes sur les détails du modèle standard, révélant peut-être des incohérences qui pointent vers une nouvelle physique. Précision des mesures semblables seront prises d'autres particules connues; par exemple, ATLAS peut éventuellement mesurer la masse de la Boson W deux fois plus précise que a déjà été atteint.
Peut-être les lignes les plus passionnants de l'enquête sont ceux qui cherchent directement pour les nouveaux modèles de la physique. Une théorie qui fait l'objet de beaucoup de recherches en cours est supersymétrie cassé. La théorie est populaire parce qu'il pourrait résoudre un certain nombre de problèmes physique théorique et est présent dans presque tous les modèles de la théorie des cordes . Les modèles de supersymétrie impliquent de nouvelles particules, très massives; dans de nombreux cas, ces décroissance dans quarks-haute énergie et des particules lourdes stables qui sont très peu susceptibles d'interagir avec la matière ordinaire. Les particules stables seraient échapper du détecteur, laissant comme un signal un ou plusieurs haute énergie quark jets et une grande quantité de «Manquant» dynamique . D'autres particules massives hypothétiques, comme ceux de La théorie de Kaluza-Klein, pourrait laisser une signature similaire, mais sa découverte serait certainement indiquer qu'il y avait une sorte de physique au-delà du modèle standard.
Une possibilité à distance (si l'univers contient grande dimensions supplémentaires) est que microscopiques trous noirs pourraient être produites par le LHC. Ceux-ci se désintégrer immédiatement au moyen de rayonnement de Hawking , la production de toutes les particules du modèle standard en nombre égal et laissant une signature sans équivoque dans le détecteur ATLAS. En fait, si cela se produit, les études primaires de bosons de Higgs et quarks top seraient menées sur ceux produits par les trous noirs.
Composants
Le détecteur ATLAS se compose d'une série de cylindres concentriques de plus en plus grandes dans le point d'interaction où les faisceaux de protons du LHC se entrechoquent. Il peut être divisé en quatre grandes parties: le détecteur interne, les calorimètres, le spectromètre à muons et les systèmes magnétiques. Chacune d'elles est à son tour réalisé en plusieurs couches. Les détecteurs sont complémentaires: le détecteur interne suit particules précisément, les calorimètres mesurer l'énergie des particules facilement arrêtés, et le système de muons effectue des mesures supplémentaires de muons très pénétrants. Le coude deux systèmes magnétiques chargé particules dans le détecteur interne et le spectromètre à muons, permettant à leurs impulsions à mesurer.
Les particules stables seulement établies qui ne peuvent pas être détectés sont directement neutrinos; leur présence est déduite en remarquant un déséquilibre dynamique parmi les particules détectées. Pour que cela fonctionne, le détecteur doit être " hermétique ", et de détecter tous les non-neutrinos produits, sans angles morts. Maintien des performances du détecteur dans les zones à haut rayonnement entourant immédiatement les faisceaux de protons est un défi technique important.
Détecteur interne
Le détecteur interne commence à quelques centimètres de l'axe du faisceau de protons, se étend jusqu'à un rayon de 1,2 m, et est de sept mètres de longueur le long du tube de faisceau. Sa fonction de base est de suivre les particules chargées en détectant leur interaction avec le matériel en des points discrets, révélant des informations détaillées sur le type de particule et son élan. Le champ magnétique environnant les entiers causes détecteur interne particules chargées à la courbe; la direction de la courbe révèle la charge d'une particule et le degré de courbure révèle son élan. Les points de départ des voies fournissent des informations utiles pour identifier les particules; par exemple, si un groupe de pistes semblent provenir d'un point autre que la collision d'origine proton-proton, cela peut être un signe que les particules proviennent de la désintégration d'un quark (voir B-tagging). Le détecteur interne comporte trois parties, qui sont expliquées ci-dessous.
Le détecteur de pixels, la partie la plus interne du détecteur, contient trois couches et trois disques sur chaque bouchon, avec un total de 1 744 modules, chacun mesurant deux centimètres par six centimètres. Le matériau de détection est de 250 um d'épaisseur silicium . Chaque module contient 16 lecture des puces et autres composants électroniques. La plus petite unité qui peut être lu sur un pixel (chacun 50 par 400 micromètres); il ya environ 47 000 pixels par module. La taille minute de pixel est conçu pour le suivi extrêmement précis très proche du point d'interaction. Au total, le détecteur Pixel aura plus de 80 millions de canaux de lecture, ce qui est environ 50% des canaux de lecture totales; un si grand nombre a créé un défi de conception et d'ingénierie. Un autre défi était la le détecteur de rayonnement Pixel sera exposé à cause de sa proximité avec le point d'interaction, exigeant que tous les composants soient rayonnement durcie afin de continuer à fonctionner après des expositions importantes.
Le Tracker semi-conducteurs (SCT) est le composant central du détecteur interne. Il est semblable dans le concept et la fonction du détecteur de pixels, mais avec de longues bandes étroites plutôt que les petits pixels, ce qui rend la couverture d'une zone plus grande pratique. Chaque bande mesure 80 micromètres par 12,6 centimètres. Le SCT est la partie la plus critique du détecteur interne pour le suivi de base dans le plan perpendiculaire à la poutre, car il mesure les particules sur une zone beaucoup plus grande que le détecteur de pixels, avec des points plus échantillonnés et à peu près égale (quoique unidimensionnel) Précision. Il est composé de quatre couches doubles de bandes de silicium, et a 6,2 millions de canaux de lecture et une superficie totale de 61 mètres carrés.
Le traqueur de rayonnement de transition (TRT), l'élément le plus extérieur du détecteur interne, est une combinaison d'un la paille et un suivi la transition détecteur de rayonnement. Il contient de nombreuses petites pailles, chacune quatre millimètres de diamètre et jusqu'à 144 centimètres de long. Ceci lui donne une résolution plus grossière que les deux autres détecteurs, un sacrifice nécessaire pour couvrir un plus grand volume et ayant une forme complémentaire différent. Chaque paille est rempli de gaz qui devient ionisé quand une particule chargée traverse. Les ions produisent un courant dans un fil à haute tension qui traverse la paille, ce qui crée un motif de signaux dans de nombreux paillettes qui permettent à la trajectoire de la particule à déterminer. Il contient également des matériaux alternatifs très différente indices de réfraction, provoquant particules pour produire facturés Rayonnement de Transition et de laisser des signaux beaucoup plus forts dans chaque paille. Puisque la quantité de rayonnement de transition produite est plus grand dans hautement relativistes particules (ceux ayant une vitesse proche de la vitesse de la lumière ), et des particules d'une énergie particulière avoir une vitesse supérieure plus elles sont légères, trajectoires des particules avec de nombreux signaux très forts peuvent être identifiés que les particules les plus légères chargées, électrons . La TRT a environ 351 000 pailles au total.
Calorimètres
Le calorimètres sont situés en dehors de la solénoïdale aimant qui entoure le détecteur interne. Leur but est de mesurer l'énergie des particules en l'absorbant. Il ya deux systèmes de calorimètre de base: un calorimètre électromagnétique intérieure et extérieure d'un calorimètre hadronique. Les deux sont l'échantillonnage calorimètres; autrement dit, ils absorbent l'énergie dans le métal de haute densité et de l'échantillon périodiquement la forme de la résultants douche de particules, déduire l'énergie de la particule d'origine à partir de cette mesure.
Le électromagnétique (EM) calorimètre absorbe l'énergie à partir de particules qui interagissent de façon électromagnétique , qui comprennent des particules chargées et des photons. Il dispose d'une grande précision, à la fois dans la quantité d'énergie absorbée et l'emplacement précis de l'énergie déposée. L'angle entre la trajectoire de la particule et l'axe de faisceau du détecteur (ou plus précisément la pseudorapidité) et son angle dans le plan perpendiculaire à la fois sont mesurées avec environ 0,025 radians . Les matériaux d'absorption d'énergie sont le plomb et en acier inoxydable, avec un liquide de l'argon en tant que matériau d'échantillonnage, et un cryostat est nécessaire autour du calorimètre électromagnétique de garder suffisamment cool.
Le hadrons calorimètre absorbe de l'énergie à partir de particules qui passent à travers le calorimètre électromagnétique, mais ne interagissent via le force forte; ces particules sont principalement hadrons. Il est moins précis, à la fois en amplitude de l'énergie et dans la localisation (dans environ 0,1 radians seulement). Le matériau absorbant l'énergie est en acier, avec des tuiles scintillantes qui échantillonnent l'énergie déposée. La plupart des fonctions du calorimètre sont choisis pour leur rapport coût-efficacité; l'instrument est grand et comprend une énorme quantité de matériaux de construction: la partie principale du calorimètre-le calorimètre à tuiles-est de huit mètres de diamètre et couvre 12 mètres le long de l'axe du faisceau. Les sections très avant, le calorimètre hadronique sont contenus dans le cryostat du calorimètre EM, et utilisent l'argon liquide comme il le fait.
spectromètre à muons
Le muon spectromètre est un système de suivi extrêmement grand, se étendant à partir d'un rayon de 4,25 m autour des calorimètres sur le rayon complet du détecteur (11 m). Sa taille énorme est nécessaire de mesurer avec précision la dynamique de muons, qui pénètrent autres éléments du détecteur; l'effort est essentiel car un ou plusieurs muons sont un élément clé d'un certain nombre de processus physiques intéressantes, et parce que l'énergie totale de particules dans un événement ne pouvaient pas être mesurés avec précision se ils ont été ignorés. Il fonctionne de manière similaire au détecteur interne, avec muons incurvées de façon que leur dynamique peut être mesurée, mais avec un différent configuration de champ magnétique, la précision spatiale inférieure, et un volume beaucoup plus important. Il sert également la fonction de simple identification devraient muons-mêmes quelques de particules d'autres types de passer à travers les calorimètres puis laisser signaux dans le spectromètre à muons. Il a environ un million de canaux de lecture, et ses couches de détecteurs ont une superficie totale de 12.000 mètres carrés.
système de Magnet
Le détecteur ATLAS utilise deux grands systèmes magnétiques de plier particules chargées de sorte que leurs moments peuvent être mesurés. Cette courbure est due à la Force de Lorentz, qui est proportionnelle à la vitesse. Comme toutes les particules produites dans les collisions de protons du LHC se rendront au très proche de la vitesse de la lumière, la force sur des particules de moments différents est égal. (Dans la théorie de la relativité , l'élan ne est pas proportionnelle à la vitesse à de telles vitesses.) Ainsi les particules de haute élan courbe très peu, tandis que les particules de faible momentum se courbe de manière significative; la quantité de la courbure peut être quantifié et l'impulsion de la particule peut être déterminée à partir de cette valeur.
L'intérieure solénoïde produit un deux champ magnétique tesla entourant le détecteur interne. Ce champ forte permet même particules très énergétiques à assez pour leur élan courbe à déterminer, et sa direction presque uniformes et la force permet d'effectuer des mesures très précise. Particules avec environ 400 moments ci-dessous MeV sera courbé si fortement qu'ils en boucle à plusieurs reprises sur le terrain et les plus susceptibles de ne pas être mesurée; Cependant, cette énergie est très faible par rapport à la plusieurs TeV d'énergie libérée dans chaque collision de protons.
L'extérieur champ magnétique toroïdal est produit par huit très grandes air-core supraconducteur boucles baril et deux embouts, tous situés en dehors des calorimètres et dans le système de muons. Ce champ magnétique est de 26 mètres de long et 20 mètres de diamètre, et il stocke 1,2 gigajoules d'énergie. Son champ magnétique ne est pas uniforme, car un aimant solénoïde de taille suffisante serait trop coûteux à construire. Heureusement, des mesures doivent être beaucoup moins précis pour mesurer la force avec précision dans le volume du système de muons.
Systèmes et l'analyse des données
Le détecteur génère ingérable de grandes quantités de données brutes, environ 25 méga-octets par événement (premières; la suppression des zéros réduit cela à 1,6 Mo) de 40 millions de fois les passages de faisceau par seconde au centre du détecteur, pour un total de 1 Petabyte / seconde de données brutes. Le système de déclenchement utilise des informations simples à identifier, en temps réel, le plus intéressant événements à retenir pour une analyse détaillée. Il existe trois niveaux de déclenchement, le premier dans l'électronique basé sur le détecteur et les deux autres fonctionner principalement sur un grand grappe d'ordinateurs à proximité du détecteur. Après la détente de premier niveau, environ 100 000 événements par seconde ont été sélectionnés. Après le déclenchement de troisième niveau, à quelques centaines de manifestations restent à être stockées pour une analyse ultérieure. Cette quantité de données, il faudra plus de 100 Mo d'espace disque par seconde - au moins un pétaoctet chaque année.
Hors ligne la reconstruction de l'événement sera effectuée sur tous les événements stockés de façon permanente, en tournant le modèle de signaux du détecteur en objets physiques, tels que jets, photons , et leptons. Grid computing sera largement utilisé pour la reconstruction de l'événement, ce qui permet l'utilisation parallèle de réseaux universitaires et de l'informatique de laboratoire à travers le monde pour la CPU tâche brasseries canadiennes de réduire de grandes quantités de données brutes en une forme appropriée pour l'analyse de la physique. Le logiciels pour ces tâches a été en développement depuis de nombreuses années, et continuera à être affiné une fois que l'expérience est en cours d'exécution.
Les individus et les groupes au sein de la collaboration écriront leur propre code pour effectuer une analyse plus approfondie de ces objets, la recherche dans le modèle de particules détectées pour certains modèles physiques ou des particules hypothétiques. Ces études sont déjà développés et testés sur des simulations détaillées de particules et de leurs interactions avec le détecteur. Ces simulations donnent physiciens un bon sens de nouvelles particules qui peuvent être détectés et combien de temps il faudra pour les confirmer avec suffisamment de statistiques certitude.
