ATLAS experimento
Informações de fundo
Crianças SOS, uma instituição de caridade educação , organizou esta selecção. Crianças SOS é a maior doação de caridade do mundo órfãos e crianças abandonadas a chance da vida familiar.
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| Experimentos do LHC | |
|---|---|
| ATLAS | A Toroidal LHC Apparatus |
| CMS | Compact Muon Solenoid |
| LHCb | LHC-beleza |
| ALICE | Um Experimento de Grande Ion Collider |
| TOTEM | Total de seção transversal, Elastic Scattering e Difração de dissociação |
| LHCf | LHC-forward |
| MoEDAL | Monopole e Exotics Detector No LHC |
| Preaccelerators LHC | |
| p e Pb | Aceleradores lineares para prótons (LINAC 2) e chumbo (LINAC 3) |
| (Não marcado) | Proton Synchrotron impulsionador |
| PS | Proton Synchrotron |
| SPS | Super Proton Synchrotron |
Coordenadas: 46 ° 14'8 "N 6 ° 3'19" E
ATLAS (A T G oroidal HC A pparatu S) é uma das seis experimentos detector de partículas ( ALICE, ATLAS, CMS, TOTEM, LHCb, e LHCf) actualmente a ser construído no Large Hadron Collider (LHC), um novo acelerador de partículas da Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear ( CERN) na Suíça . Quando concluída, será ATLAS 46 metros de comprimento e 25 metros de diâmetro e pesará cerca de 7.000 toneladas. O projeto envolve aproximadamente 2.000 cientistas e engenheiros da 165 instituições em 35 países. A construção foi programada para ser concluída em junho de 2007 , no entanto, é agora indicado para ser abril ou meados de 2008 . A experiência é concebida para observar os fenómenos que envolvem altamente maciça partículas que não eram observáveis usando anteriores minúsculas energia aceleradores e pode lançar luz sobre novo teorias da física de partículas para além do Modelo Padrão .
A colaboração ATLAS, o grupo de os físicos constroem o detector, foi formada em 1992 quando o EAGLE proposto (E Xperiment para uma ccurate G Amma, L Epton e E Medidas NERGY) e ASCOT (A pparatus com S uper CO nducting oroids T) colaborações fundiram seus esforços na construção de um único , detector de partículas de propósito geral para o Large Hadron Collider. O desenho era uma combinação destes dois modelos anteriores, bem como a pesquisa e desenvolvimento detector que tinha sido feito para a Superconducting Supercollider. O experimento ATLAS foi proposto na sua forma atual em 1994 , e financiado oficialmente pelos países membros do CERN início em 1995 . Outros países, universidades , e laboratórios juntou nos anos seguintes, e outras instituições e físicos continuam a juntar-se a colaboração até hoje. O trabalho de construção começou em instituições individuais, com componentes de detector enviado para CERN e montados no poço experimental ATLAS início em 2003 .
ATLAS é concebido como um detector de propósito geral. Quando o protão feixes produzidos pelo LHC interagir no centro do detector, uma variedade de diferentes partículas com uma larga gama de energias pode ser produzido. Ao invés de focar em um processo físico específico, ATLAS é projetado para medir a mais ampla gama possível de sinais. Este destina-se a assegurar que, sob qualquer forma quaisquer novos processos físicos ou partículas pode levar, ATLAS será capaz de detectá-los e medir suas propriedades. As experiências anteriores em aceleradores, tais como o Tevatron e Large Electron Positron Collider-, foram concebidos com base em uma filosofia similar. No entanto, os desafios da energia Hadron Collider-its sem precedentes Grande e extremamente alta taxa de colisões de exigir ATLAS a ser maiores e mais complexos do que qualquer detector já construído.
Fundo
O primeiro ciclotrão, um tipo primitivo do acelerador de partículas, foi construída por Ernest O. Lawrence em 1931, com um raio de apenas alguns centímetros e uma partícula de energia de 1 MeV. Desde então, aceleradores têm crescido enormemente na busca de produzir novas partículas de maior e maior massa . Como aceleradores têm crescido, assim também tem a lista de partículas conhecidas que poderiam ser usados para investigar. O modelo mais abrangente de interações de partículas disponíveis hoje é conhecido como o Modelo Padrão da Física de Partículas . Com a importante exceção da Bóson de Higgs, todas as partículas previstas pelo modelo foram observados. Enquanto o modelo padrão prevê que deve existir quarks, elétrons e neutrinos, ele não explica por que as massas das partículas são tão diferentes. Devido a esta violação da "naturalidade" a maioria dos físicos de partículas acreditam que é possível que o Modelo Padrão vai quebrar a energias além da atual fronteira da energia de cerca de um TeV (definido no Tevatron). Se tal física além-the-Standard-modelo é observado espera-se que um novo modelo, que é idêntico ao modelo padrão com energias até agora sondados, pode ser desenvolvida para descrever a física das partículas a energias mais elevadas. A maioria das teorias atualmente propostas prever novas partículas de massa maior, alguns dos quais se esperam para ser leve o suficiente para ser observado por ATLAS. Em 27 km de circunferência, o Large Hadron Collider (LHC) vai colidir dois feixes de prótons juntos, cada próton transportando cerca de 7 TeV de energia - energia suficiente para produzir partículas com massas até cerca de dez vezes mais maciças do que todas as partículas conhecidas atualmente - assumindo, claro, que existam tais partículas. Com uma energia de sete milhões de vezes maior do que o primeiro acelerador LHC representa uma "nova geração" de aceleradores de partículas.
As partículas que são produzidos em aceleradores deve também ser observada, e esta é a tarefa de detectores de partículas. Enquanto fenômenos interessante pode ocorrer quando colidem prótons não é suficiente para produzi-los. Detectores de partículas deve ser construído para detectar partículas, suas massas, impulso , energia , encargos, e spins nucleares. A fim de identificar todas as partículas produzidas na ponto de interação onde as partículas colidem vigas, detectores de partículas são normalmente concebidos com uma semelhança com uma cebola. As camadas são constituídos por detectores de diferentes tipos, cada um dos quais é perito na observação de tipos específicos de partículas. As diferentes características que as partículas deixam em cada camada do detector para permitir eficaz identificação de partículas e medições precisas de energia e momento. (A função de cada camada no detector é discutida abaixo ). Como a energia das partículas produzidas pelo acelerador aumenta, os detectores ligados a ele deve crescer para medir e parar de partículas de alta energia de forma eficaz. Depois de concluído, ATLAS será o maior detector já construído em um acelerador de partículas.
Programa de física
ATLAS tem a intenção de investigar muitos tipos diferentes de física que podem se tornar detectável nas colisões energéticas do LHC. Alguns destes são confirmações ou melhoradas medidas do Modelo Padrão , enquanto muitos outros são pesquisas de novas teorias físicas.
Um dos objetivos mais importantes da ATLAS é investigar uma peça do Modelo Padrão faltando, o Bóson de Higgs. O Higgs mecanismo, que inclui o bóson de Higgs, é invocado para dar massas de partículas elementares, dando origem às diferenças entre o força fraca e eletromagnetismo , dando o W e bósons Z massas, deixando o fóton tem massa. Se o bóson de Higgs não é descoberto por ATLAS, espera-se que um outro mecanismo de quebra de simetria eletrofraca que explica os mesmos fenômenos, como tecnicolor, serão descobertas. O Modelo Padrão não é simplesmente matematicamente consistente nas energias do LHC sem esse mecanismo. O bóson de Higgs seria detectado pelas partículas que decai em; o mais fácil de observar são dois fótons , dois quarks fundo, ou quatro léptons. Às vezes, esses decaimentos só pode ser definitivamente identificados como originários com o bóson de Higgs, quando eles estão associados com partículas adicionais; para um exemplo disso, veja o diagrama à direita.
A assimetria entre o comportamento da matéria e antimatéria, conhecido como Violação de CP, também serão investigados. Experimentos CP-violação atuais, tais como BaBar e Belle, ainda não detectado violação CP suficiente no modelo padrão para explicar a falta de antimatéria detectável no universo. É possível que novos modelos da física irá introduzir violação adicional CP, lançando luz sobre este problema; estes modelos podem ser detectados quer directamente pela produção de novas partículas, ou indirectamente, por meio de medições feitas das propriedades de B- mésons. ( LHCb, uma experiência de LHC dedicado a B-mesões, é provável que seja mais adequado para este último.)
O quark top, descoberto em Fermilab, em 1995, até agora teve suas propriedades medido apenas aproximadamente. Com muito mais energia e maiores taxas de colisão, LHC vai produzir um número enorme de quarks top, permitindo ATLAS para fazer medições muito mais precisos de sua massa e interações com outras partículas. Estas medidas irão fornecer informação indirecta sobre os detalhes do Modelo Padrão, talvez revelando incoerências que apontam para uma nova física. Medições de precisão semelhantes serão feitos de outras partículas conhecidas; por exemplo, podem eventualmente ATLAS medir a massa do W Higgs duas vezes mais exacta como foi anteriormente conseguida.
Talvez as linhas mais emocionantes de investigação são aqueles directamente à procura de novos modelos da física. Uma teoria que é o assunto de muita pesquisa atual é supersimetria quebrado. A teoria é popular porque ele poderia potencialmente resolver uma série de problemas em física teórica e está presente em quase todos os modelos de teoria das cordas . Todos os modelos de supersimetria envolver novos, partículas altamente massivas; em muitos casos, estes decair em quarks de alta energia e partículas pesadas estáveis que são muito provável a sua interacção com a matéria comum. As partículas estáveis escaparia do detector, deixando como um sinal de um ou mais de alta energia jactos quark e uma grande quantidade de "Faltando" impulso . Outras partículas massivas hipotéticas, como aqueles em Teoria Kaluza-Klein, pode deixar uma assinatura semelhante, mas sua descoberta certamente indicam que houve algum tipo de física além do Modelo Padrão.
Uma possibilidade remota (se o universo contém grande dimensões extras) é que microscópicos buracos negros podem ser produzidos pelo LHC. Estes decairia imediatamente por meio de radiação Hawking , produzindo todas as partículas do Modelo Padrão em igual número e deixando uma assinatura inequívoca no detector ATLAS. Na verdade, se isso ocorrer, os estudos primários de bósons de Higgs e melhores quarks seriam conduzidas sobre aqueles produzidos pelos buracos negros.
Componentes
O detector ATLAS consiste de uma série de cilindros concêntricos cada vez maiores em torno do ponto de interação, onde os feixes de prótons do LHC colidem. Ele pode ser dividido em quatro partes principais: o detector interior, o calorímetro, o espectrômetro de múons e os sistemas magnéticos. Cada um deles é por sua vez feita de camadas múltiplas. Os detectores são complementares: o Detector Inner rastreia partículas precisamente, os calorímetros medir a energia das partículas facilmente parado, eo sistema múon faz medições adicionais de múons altamente penetrantes. A curvatura dois sistemas magnéticos carregada partículas no interior do detector e o espectrómetro de muões, permitindo que os seus momentos a ser medido.
As partículas estáveis só estabeleceu que não podem ser detectados diretamente são neutrinos; sua presença é inferida por perceber um desequilíbrio força entre partículas detectadas. Para que isso funcione, o detector deve ser " hermético ", e detectar todos os não-neutrinos produzidos, sem pontos cegos. Manutenção do desempenho detector nas zonas altas de radiação que circundam imediatamente os feixes de prótons é um desafio significativo de engenharia.
Detector interior
O Detector Inner começa alguns centímetros do eixo do feixe de prótons, estende-se a um raio de 1,2 metros, e é de sete metros de comprimento ao longo do tubo de feixe. Sua função básica é controlar partículas carregadas através da detecção de sua interação com o material em pontos discretos, revelando informações detalhadas sobre o tipo de partícula e sua dinâmica. O campo magnético em torno de todo o interior do detector causas as partículas carregadas a curva; a direcção da curva de carga revela uma partícula e o grau de curvatura revela a sua dinâmica. Os pontos de partida das faixas produzir informações úteis para identificação de partículas; por exemplo, se um grupo de faixas parecem originar a partir de um ponto diferente do colisão protão-protão original, este pode ser um sinal de que as partículas veio do decaimento de um quark bottom (veja B-tagging). O Detector Inner tem três partes, que são explicadas abaixo.
O Pixel Detector, a parte mais interna do detector, contém três camadas e três discos em cada extremidade-tampão, com um total de 1.744 módulos, cada um medindo dois centímetros por seis centímetros. O material de detecção é de 250 um de espessura de silício . Cada módulo contém 16 readout batatas fritas e outros componentes eletrônicos. A menor unidade que pode ser lida é um pixel (50 por cada 400 micrómetros); existem cerca de 47.000 pixels por módulo. O tamanho do pixel minuto é projetado para monitoramento extremamente preciso muito perto do ponto de interação. No total, o Detector Pixel terá mais de 80 milhões de canais de leitura, o que é cerca de 50% dos canais totais de leitura; uma contagem tão grande criou um desafio de design e engenharia. Um outro desafio foi o radiação do detector de pixels serão expostos a por causa da sua proximidade com o ponto de interacção, requerendo que todos os componentes estejam reforçados contra radiações, a fim de continuar a operar depois de exposições significativas.
O Semi-Conductor Tracker (SCT) é o componente meio do detector interior. É semelhante em conceito e função para o Detector Pixel mas com estreitas faixas longas, em vez de pequenos pixels, fazendo a cobertura de uma área maior prático. Cada faixa mede 80 micrômetros por 12,6 centímetros. O SCT é a parte mais crítica do detector interior para o rastreamento de base no plano perpendicular ao feixe, uma vez que mede partículas sobre uma área muito maior do que o detector de pixels, com pontos amostrados e mais ou menos igual (embora unidimensional) precisão. É composto por quatro camadas duplas de tiras de silicone, e tem 6,2 milhões de canais de leitura e uma área total de 61 metros quadrados.
O Rastreio de radiação de transição (TRT), o componente mais exterior do detector interior, é uma combinação de um rastreador de palha e um transição detector de radiação. Ele contém muitas pequenas palhetas, cada quatro milímetros de diâmetro e até 144 centímetros de comprimento. Isto dá-lhe uma resolução muito mais grosseiro do que os outros dois detectores, um sacrifício necessário para cobrir um volume maior e com um design diferente complementar. Cada palha é preenchido com gás, que se torna ionizado quando uma partícula carregada atravessa. Os iões de produzir uma corrente em um um cabo de alta tensão que atravessa a palha, criando um padrão de sinais, em muitos palhetas que permitem que o caminho da partícula a ser determinado. Ele também contém materiais alternadas com muito diferente índices de refracção, fazendo com que as partículas carregadas para produzir transição radiação e deixar sinais muito mais fortes em cada palha. Uma vez que a quantidade de radiação de transição produzida é maior em altamente relativistas partículas (aqueles com uma velocidade próxima da velocidade da luz ), e partículas de uma determinada energia têm uma velocidade mais alta do isqueiro são, de partículas com muitos caminhos de sinais muito fortes podem ser identificados como as partículas mais leves carregadas, elétrons . O TRT tem cerca de 351.000 canudos no total.
Calorímetros
O calorímetros se encontra fora da solenoidal ímã que rodeia o detector interior. Sua finalidade é medir a energia de partículas por absorvê-la. Existem dois sistemas de calorímetro básicos: um calorímetro electromagnético interno e um calorímetro hadrônico exterior. Ambos são amostragem calorímetros; isto é, absorvem a energia de alta densidade em metal e amostrar periodicamente a forma da resultante chuveiro de partículas, inferindo a energia da partícula original a partir desta medição.
A (EM) calorímetro eletromagnético absorve a energia das partículas que interagem eletromagneticamente , que incluem partículas carregadas e fótons. Tem elevada precisão, tanto na quantidade de energia absorvida e na localização precisa da energia depositada. O ângulo entre a trajectória da partícula e o eixo do feixe do detector (ou mais precisamente o pseudorapidity) e o seu ângulo no plano perpendicular são medidos para dentro de cerca de 0,025 radianos . Os materiais de absorção de energia são de chumbo e de aço inoxidável, com líquido de árgon como o material de amostragem, e uma criostato é necessário em torno do calorímetro EM para mantê-lo suficientemente fria.
O hádron calorímetro absorve energia a partir de partículas que passam através do calorímetro EM, mas não interagem através da forte vigor; estas partículas são principalmente hadríons. É menos preciso, tanto na magnitude da energia e na localização (dentro de cerca de 0,1 a apenas radianos). O material de absorção de energia é de aço, com as telhas de cintilantes que a amostra a energia depositada. Muitas das características do calorímetro são escolhidos pela sua eficácia em termos de custos; o instrumento é grande e compreende uma grande quantidade de material de construção: a parte principal do calorímetro-a-calorímetro ladrilho é oito metros de diâmetro e 12 metros de cobre ao longo do eixo da viga. As seções far-forward do calorímetro hadronic estão contidos dentro do calorímetro cryostat EM, e usar árgon líquido como ele faz.
Espectrômetro de múons
O múon espectrômetro é um sistema de rastreamento extremamente grande, que se estende a partir de um raio de 4,25 m em redor de calorímetro para o raio total do detector (11 m). Sua enorme tamanho é necessária para medir com precisão a dinâmica de múons, que penetram outros elementos do detector; o esforço é vital, porque um ou mais muões são um elemento-chave de um número de processos físicos interessantes, e porque a energia total de partículas em um acontecimento não podia ser medido com precisão, se eles foram ignorados. Ele funciona de forma semelhante ao detector de interior, muões com encurvamento, de modo que o seu movimento pode ser medido, ainda que com um diferente configuração do campo magnético, precisão espacial inferior, e um volume muito maior. É também serve a função de simples identificação são esperados muões, muito poucas partículas de outros tipos de passar através das calorímetro e subsequentemente deixar sinais no espectrómetro de muões. Tem aproximadamente um milhão de canais de leitura, e as suas camadas de detectores tem uma área total de 12.000 metros quadrados.
Ímã sistema
O detector ATLAS utiliza dois sistemas magnéticos grandes para dobrar partículas carregadas de modo a que os seus momentos pode ser medido. Esta dobragem é devido ao Força de Lorentz, que é proporcional à velocidade. Desde todas as partículas produzidas em colisões de prótons do LHC vai estar viajando a muito perto da velocidade da luz, a força sobre as partículas de momentos diferentes é igual. (Na teoria da relatividade , o momento não é proporcional à velocidade em tais velocidades.) Assim, partículas de alta dinâmica vai fazer uma curva muito pouco, enquanto as partículas de baixa momentum curva significativamente; a quantidade de curvatura pode ser quantificada e a quantidade de movimento das partículas pode ser determinada a partir deste valor.
O interior produz um solenóide de dois tesla campo magnético em torno do interior do detector. Este campo forte permite que até mesmo partículas muito energéticas a curva suficiente para a sua dinâmica a ser determinado, e sua direção quase uniforme e força permitem que as medições sejam feitas com muita precisão. Partículas com momentos abaixo aproximadamente 400 MeV será curvado tão fortemente que irá repetir várias vezes no campo e, provavelmente, não ser medido; no entanto, esta energia é muito pequena em comparação com as diversas TeV de energia liberada em cada colisão de prótons.
O exterior campo magnético toroidal é produzido por oito grandes ar-core supercondutor loops de tambor e dois tampões de extremidade, todos situados fora dos calorímetros e dentro do sistema múon. Este campo magnético é de 26 metros de comprimento e 20 metros de diâmetro, e ele armazena 1,2 gigajoules de energia. O seu campo magnético não é uniforme, porque um íman solenóide de tamanho suficiente, seria proibitivamente cara para construir. Felizmente, as medições têm de ser muito menos preciso para medir a força com precisão no grande volume do sistema de muões.
Sistemas de dados e análise
O detector gera unmanageably grandes quantidades de dados brutos, cerca de 25 Megabytes por evento (bruto; supressão de zeros reduz este para 1,6 MB) vezes 40 milhões cruzamentos de feixe por segundo no centro do detector, para um total de 1 petabyte / segundo de dados em bruto. O sistema de gatilho utiliza informações simples de identificar, em tempo real, o mais interessante eventos a reter para análise detalhada. Existem três níveis de gatilho, o primeiro baseado na eletrônica no detector e os outros dois são executados principalmente em um grande cluster de computadores perto do detector. Após o disparo do primeiro nível, cerca de 100.000 eventos por segundo foram selecionadas. Depois de o gatilho de terceiro nível, a algumas centenas de eventos continuam a ser armazenada para posterior análise. Esta quantidade de dados vai exigir mais de 100 megabytes de espaço em disco por segundo - pelo menos um petabytes a cada ano.
Off-line reconstrução evento será realizada em todos os eventos armazenados permanentemente, transformando o padrão de sinais a partir do detector em objetos física, tal como jatos, fótons , e léptons. Grid computing será amplamente utilizada para a reconstrução evento, permitindo a utilização em paralelo de redes universitárias e de computador de laboratório em todo o mundo para a CPU tarefa -intensive de reduzir grandes quantidades de dados brutos em uma forma adequada para análise física. O software para estas tarefas tem estado em desenvolvimento por muitos anos, e continuará a ser refinado uma vez que o experimento está sendo executado.
Indivíduos e grupos dentro da colaboração vai escrever sua própria código para executar uma análise mais aprofundada desses objetos, em busca do padrão de partículas detectadas para determinados modelos físicos ou partículas hipotéticas. Estes estudos estão já a ser desenvolvido e testado em simulações detalhadas de partículas e as suas interacções com o detector. Tais simulações dar físicos um bom senso de que novas partículas podem ser detectados e quanto tempo vai demorar para confirmá-las com suficiente estatística certeza.
