Общее устройство детектора ATLAS следует классической схеме многоцелевого детектора в коллайдерных экспериментах. Он состоит из компактного внутреннего детектора, в котором отслеживаются траектории частиц, за ним следуют калориметры, измеряющие их энергию, а снаружи расположены мюонные детекторы. На рис. 1 показан общий вид детектора ATLAS в разрезе.
Рис. 1. Общий вид детектора ATLAS в разрезе и его основные компоненты. Фигурки людей показаны для иллюстрации масштаба. Рис. с сайта atlas.ch Самая впечатляющая характеристика ATLAS — это его размер. Даже по современным меркам это огромный детектор. Его длина составляет 43 метра, а диаметр — 22 метра. Впрочем, благодаря достаточно ажурной конструкции, полный вес детектора не столь велик, как у CMS, — всего 7 тысяч тонн.
Внутренний детектор
Внутренняя часть ATLAS содержит несколько слоев детекторов для идентификации частиц и точного измерения их траекторий (см. рис. 2).
Рис. 2. Внутренняя часть детектора ATLAS. На рисунке показаны: пиксельные детекторы (pixel detectors), полупроводниковые трековые детекторы (SCT) и детекторы переходного излучения (TRT). Радиус внутреннего детектора равен 1,15 м, длина — 7 м. Рис. с сайта atlas.ch Ближе всего к трубе расположен пиксельный детектор. Он состоит из трех цилиндрических слоев и нескольких торцевых пластинок. Все они покрыты почти двумя тысячами отдельных чувствительных матриц по 46 тысяч пикселов на каждой, причем каждая матрица оснащена своей считывающей электроникой. Всего детектор насчитывает 80 миллионов пикселов, расположенных на общей площади 1,7 кв. метра; размер каждого пиксела — около 50 на 400 микрон, а пространственное разрешение 14 на 115 микрон. Полное энергопотребление пиксельного детектора составляет 15 кВт. Вся эта электроника должна будет несколько лет проработать в условиях жесткой радиации.
Следующим идет восьмислойный полупроводниковый трековый детектор, который тоже восстанавливает траектории частиц на расстояниях вплоть до полуметра от оси столкновения. Общая площадь чувствительных элементов составляет 60 кв. метров. В дополнение к нему имеются и торцевые трековые детекторы, которые покрывают область по быстроте вплоть до 2,5. Благодаря тому, что магнитное поле искривляет траекторию частиц, с помощью трекового детектора можно с хорошей точностью восстановить их импульс.
Наконец, третий компонент внутреннего детектора ATLAS — трековый детектор переходного излучения. Этот детектор состоит из нескольких сотен тысяч длинных тонких полых трубок, называемых «соломинками» (англ. “straw”). Каждая соломинка имеет диаметр 4 мм и длину больше метра; она заполнена газовой смесью (ксенон, углекислый газ, кислород) и содержит внутри тончайшую покрытую золотом вольфрамовую нить — анод. Внутренняя поверхность соломинки покрыта проводящим слоем, который служит катодом; напряжение между катодом и анодом составляет несколько киловольт. От каждой соломинки идет электронный канал считывания (всего их 420 тысяч), точность восстановления координаты вдоль соломинки составляет 0,17 мм.
Калориметры
Электромагнитный (внутренний) калориметр детектора ATLAS представляет собой «гармошку», сложенную из многочисленных тонких гофрированных пластин металла-поглотителя. В зазорах между ними находится жидкий аргон при температуре около 90 К, который служит чувствительным материалом. Пролетающая сквозь калориметр заряженная частица порождает в нём электромагнитный ливень, который ионизирует аргон, и эта ионизация тут же, в зазоре, собирается датчиками.
Рис. 3. Схема расположения калориметров в детекторе ATLAS. Коричневым показаны калориметры на жидком аргоне (LAr), серым — калориметры на органических сцинтилляторах. Рис. с сайта cdsweb.cern.ch Внешний, адронный калориметр состоит из нескольких десятков клиньев, более 5 метров длиной и весом 20 тонн каждый. Каждый клин имеет мозаичную структуру — в нём пластинки поглотителя чередуются с пластинками органический сцинтиллятора. Адронный ливень, порожденный пролетающим адроном, вызывает свечение сцинтиллятора, которое регистрируется фотоумножителями и превращается в электрический сигнал.
Рис. 4. Калориметры ATLAS смонтированы и запечатаны. Снаружи видны только многие тысячи кабелей, по которым считываются данные с отдельных ячеек. Фото с сайта atlas.ch
Мюонный спектрометр
Мюоны детектируются в мюонном спектрометре, который использует газовые мюонные трубки — они похожи на соломинки детектора переходного излучения, только гораздо большего диаметра. Вся конструкция из мюонных трубок имеет впечатляющие размеры: радиус цилиндрических слоев — 5, 7,5 и 10 м, а торцевые диски разнесены на расстояние вплоть до 21,5 м от центра детектора. При этом для обеспечения высокой точности измерения траекторий мюонов необходимо знать положение мюонных трубок в пространстве с погрешностью не более 30 микрон, что в миллион раз меньше самих размеров мюонной системы!
Магнитные системы
В детекторе ATLAS имеется три типа магнитов, создающих магнитное поле для искривления траектории частиц и измерения их импульса. Все они сверхпроводящие и работают при криогенных температурах.
Рис. 5. Ставшая уже знаменитой картина: детектор ATLAS в процессе сборки (по состоянию на 2005 год). Все восемь тороидальных магнитов к тому времени уже были установлены, а калориметры еще не вдвинуты внутрь. Фото с сайта cdsweb.cern.ch Внутренний детектор помещен в относительно небольшой центральный соленоид — полый цилиндр длиной 5 метров и диаметром 2,4 метра; толщина его стенок составляет всего 4,5 сантиметра. В нём течет ток силой 7,7 кА, который создает внутри магнитное поле индукцией 2 тесла.
Магнитное поле, в котором искривляется траектория мюонов, обеспечивается ажурной конструкцией из восьми наружных сверхпроводящих тороидальных магнитов (см. рис. 5). В обмотке каждого из них течет ток 20 кА, который создает в пространстве магнитное поле неоднородной силы со средней индукцией около 0,5 тесла. Каждый из магнитов имеет 25 метров в длину, а внешний диаметр всей структуры достигает 20 метров. Похожая магнитная структура чуть меньшего размера установлена также на торцах детектора для отклонения мюонов, вылетающих под малыми углами к оси пучков.
Система сбора данных
Для предварительного отбора «интересных» столкновений используется трехуровневая система триггеров. Первичный триггер — это большая фабрика из специально изготовленных процессоров, причем отбор идет на уровне «железа». Первичный триггер пропускает дальше примерно одно из 400 событий. Прошедшие события анализируются вторичным и третичным триггерами, которые оценивают события уже программным образом. В качестве этих триггеров выступают «фабрики» из почти двух тысяч компьютеров. Они пропускают примерно одно из 450 событий. В результате, при номинальной частоте столкновений 40 МГц, интересные события поступают со средней частотой 200 Гц. Каждое из этих событий составляет около полутора мегабайт информации, и оно записывается для дальнейшего анализа. Для анализа событий и проведения моделирования в распоряжении участников коллаборации ATLAS имеется 36 тысяч компьютеров по всему миру.
Коллаборация
По состоянию на август 2008 года, коллаборация насчитывала 2100 ученых из 167 научных организаций 37 стран мира. С российской стороны в эксперименте принимают участие сотрудники сразу нескольких организаций: ОИЯИ в Дубне, ИТЭФ, ФИАН, НИИЯФ МГУ, МИФИ в Москве, ИФВЭ в Протвино, ПИЯФ в Санкт-Петербурге, ИЯФ СО РАН в Новосибирске.
Дополнительная литература:
- ATLAS — официальный сайт детектора. Сайт коллаборации.
- Новости с детектора: News of the ATLAS experiment — для широкой публики; ATLAS e-News — более технические.
- The ATLAS Experiment at the CERN Large Hadron Collider // Journal of Instrumentation, 3 S08003 (2008) — 437-страничный обзор устройства детектора.
- Expected Performance of the ATLAS Experiment — Detector, Trigger and Physics // препринт arXiv:0901.0512 — 1852-страничный обзор режима работы и научной программы детектора.
- Россия в эксперимента ATLAS.
- Фотогалерея детектора ATLAS.
- Мультимедийные материалы про детектор.
- Вебкамеры с детектора.
- Блоги участников эксперимента ATLAS.
- ATLAS Fact Sheets (PDF, 38,9 Мб) — эксперимент ATLAS в цифрах и фактах. Онлайн-версия этого справочника.
Новости детектора Атлас
ATLAS видит небольшой всплеск в VH-канале при 3 ТэВ 10.05
CMS вновь не подтверждает отклонение в рождении лептонов одинаковых зарядов 09.05
Детектор ATLAS увидел рассеяние света на свете 15.02
Теоретики обсуждают новое отклонение в данных ATLAS 24.01
Данные 2016 года окончательно закрыли недавний намек на суперсимметрию 20.01
Отклонение, напоминавшее заряженный бозон Хиггса, исчезло 13.09.2016
Коллайдер выполнил техническую программу-минимум на этот год 12.09.2016
ICHEP 2016: Тяжелых экзотических частиц по-прежнему не видно 21.08.2016
ICHEP 2016: Всплеск при 2 ТэВ закрыт 19.08.2016
ATLAS закрывает WH-превышение при 1,8 ТэВ 02.08.2016
Все новости ATLAS