Experimento ATLAS
Antecedentes
SOS Children, una organización benéfica educación , organizó esta selección. Infantil SOS es la mayor donación de caridad del mundo niños huérfanos y abandonados de la oportunidad de la vida familiar.
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| Experimentos del LHC | |
|---|---|
| ATLAS | Un aparato de Toroidal LHC |
| CMS | Compacto Muon Solenoid |
| LHCb | LHC-belleza |
| ALICE | Un Gran Experimento Colisionador de Iones |
| TÓTEM | Corte transversal total, elástico Dispersión y difracción Disociación |
| LHCf | LHC-forward |
| MoEDAL | Monopole y Exóticos Detector En el LHC |
| Preaccelerators LHC | |
| p y Pb | Los aceleradores lineales de protones (Linac 2) y plomo (Linac 3) |
| (No marcado) | Sincrotrón de Protones Booster |
| PS | Sincrotrón de Protones |
| SPS | Súper Sincrotrón de Protones |
Coordina: 46 ° 14'8 "N 6 ° 3'19" E
ATLAS (A T oroidal L HC A pparatu S) es uno de los seis experimentos de detectores de partículas ( ALICE, ATLAS, CMS, Tótem, LHCb, y LHCf) se está construyendo actualmente en la Gran Colisionador de Hadrones (LHC), un nuevo acelerador de partículas en la Organización Europea para la Investigación Nuclear ( CERN) en Suiza . Cuando se haya completado, ATLAS será 46 metros de largo y 25 metros de diámetro , y pesará alrededor de 7.000 toneladas. El proyecto consiste en aproximadamente 2.000 científicos y ingenieros de 165 instituciones en 35 países. La construcción fue programada para ser completada en junio de 2007 , sin embargo ahora se dice que es abril o mediados de 2008 . El experimento está diseñado para observar fenómenos que implican altamente masiva partículas que no eran observables utilizando anteriores lower- energía aceleradores y podrían arrojar luz sobre nueva las teorías de la física de partículas más allá del Modelo Estándar .
La colaboración ATLAS, el grupo de los físicos que construyen el detector, se formó en 1992, cuando el EAGLE propuesto (Xperiment E para una ccurate G amma, L Epton y ENERGY Mediciones) y ASCOT (A pparatus con S uper CO nducting oroids T) colaboraciones fusionaron sus esfuerzos en la construcción de un único , detector de partículas de propósito general para el Gran Colisionador de Hadrones. El diseño era una combinación de estos dos diseños anteriores, así como la investigación y el desarrollo detector que se había hecho para el Superconductor Supercollider. El experimento ATLAS fue propuesta en su forma actual en 1994 , y financiado oficialmente por los países miembros del CERN a partir de 1995 . Otros países, universidades , y laboratorios se unieron en los años siguientes, y otras instituciones y los físicos continúan uniéndose a la colaboración incluso hoy en día. El trabajo de construcción comenzó a las instituciones individuales, con componentes detectores envían al CERN y ensamblados en el pozo experimental ATLAS a partir de 2003 .
ATLAS está diseñado como un detector de propósito general. Cuando el protón vigas producidos por el LHC interactúan en el centro del detector, una variedad de diferentes partículas con una amplia gama de energías puede ser producido. En lugar de centrarse en un determinado proceso físico, ATLAS está diseñado para medir la gama más amplia posible de las señales. Con ello se pretende garantizar que, cualquiera sea la forma nuevos procesos físicos o partículas podrían tomar, ATLAS será capaz de detectar y medir sus propiedades. Los experimentos en los colisionadores anteriores, como la Tevatron y Large Electron-Positron Collider, fueron diseñados sobre la base de una filosofía similar. Sin embargo, los desafíos únicos de la Gran Colisionador de Hadrones energía -su sin precedentes y extremadamente alta tasa de colisiones requieren ATLAS a ser más grande y más compleja que cualquier detector jamás construido.
Fondo
La primera ciclotrón, un tipo temprano de acelerador de partículas, fue construido por Ernest O. Lawrence en 1931, con un radio de unos pocos centímetros y una partícula de energía de 1 MeV. Desde entonces, los aceleradores han crecido enormemente en la búsqueda para producir nuevas partículas de mayor y mayor masa . Como aceleradores han crecido, también lo ha hecho la lista de las partículas conocidas que puedan ser utilizados para investigar. El modelo más completo de las interacciones de partículas disponibles en la actualidad se conoce como el Modelo Estándar de la Física de Partículas . Con la importante excepción de la Bosón de Higgs, todas las partículas predichas por el modelo se han observado. Mientras que el modelo estándar predice que deberían existir quarks, electrones y neutrinos, que no explica por qué las masas de las partículas son tan diferentes. Debido a esta violación de la "naturalidad" la mayoría de los físicos de partículas creen que es posible que el Modelo Estándar se descompone a energías más allá de la frontera actual de energía de aproximadamente un TeV (fijado en el Tevatron). Si se observa como la física más allá de-la-Standard-Modelo se espera que un nuevo modelo, que es idéntica a la del modelo estándar a energías hasta ahora sondeadas, puede ser desarrollado para describir la física de partículas a altas energías. La mayoría de las teorías actualmente propuestos predicen nuevas partículas de mayor masa, algunos de los cuales se esperan que sea lo suficientemente ligero como para ser observado por ATLAS. A los 27 kilómetros de circunferencia, la Gran Colisionador de Hadrones (LHC) lo hará colisionar dos haces de protones juntos, cada protón lleva unos 7 TeV de energía - suficiente energía para producir partículas con masas de hasta aproximadamente diez veces más masivas que las partículas conocidas en la actualidad - asumiendo por supuesto que existen tales partículas. Con una energía siete millones de veces la del primer acelerador LHC representa una "nueva generación" de los aceleradores de partículas.
Las partículas que se producen en aceleradores también deben tener en cuenta, y esta es la tarea de los detectores de partículas. Si bien puede producirse fenómenos interesantes cuando los protones chocan no es suficiente para producirlos. Los detectores de partículas deben ser construidos para detectar partículas, sus masas, impulso , energías , cargos, y espines nucleares. Con el fin de identificar todas las partículas producidas en el punto de interacción en donde las partículas de rayos chocan, detectores de partículas suelen ser diseñados con una similitud con una cebolla. Las capas se componen de detectores de diferentes tipos, cada uno de los cuales es experto en la observación de tipos específicos de partículas. Las diferentes características que las partículas dejan en cada capa del detector permiten efectiva identificación de las partículas y las medidas exactas de la energía y el impulso. (El papel de cada capa en el detector se discute a continuación .) A medida que la energía de las partículas producidas por el acelerador aumenta, los detectores conectados a él deben crecer para medir de manera efectiva y detener las partículas de mayor energía. Una vez completado, ATLAS será el mayor detector jamás construido en un acelerador de partículas.
Programa de Física
ATLAS pretende investigar muchos tipos diferentes de la física que pueden volverse detectable en las colisiones energéticas del LHC. Algunas de ellas son confirmaciones o mejoradas mediciones del Modelo Standard , mientras que muchos otros son las búsquedas de nuevas teorías físicas.
Uno de los objetivos más importantes de ATLAS es investigar una pieza que falta en el Modelo Estándar, la Bosón de Higgs. La Mecanismo de Higgs, que incluye el bosón de Higgs, se invoca para dar masas de las partículas elementales, dando lugar a las diferencias entre el fuerza débil y el electromagnetismo , dando la Masas bosones W y Z, dejando el fotón sin masa. Si el bosón de Higgs no es descubierto por ATLAS, se espera que otro mecanismo de ruptura de la simetría electrodébil que explica el mismo fenómeno, como technicolor, será descubierto. El Modelo Estándar no es simplemente matemáticamente consistente en las energías del LHC sin ese mecanismo. El bosón de Higgs sería detectado por las partículas que se desintegra en; los más fáciles de observar son dos fotones , dos quarks inferiores, o cuatro leptones. A veces, estas desintegraciones sólo se pueden identificar definitivamente como originarios con el bosón de Higgs cuando se asocian con partículas adicionales; un ejemplo de esto, ver el diagrama de la derecha.
La asimetría entre el comportamiento de la materia y antimateria, conocido como Violación CP, también será investigado. Actuales experimentos CP-violación, como BaBar y Belle, aún no se han detectado suficientes violación CP en el Modelo Estándar para explicar la falta de antimateria detectable en el universo. Es posible que los nuevos modelos de la física introducirán violación CP adicional, arrojando luz sobre este problema; estos modelos pueden ser detectados, ya sea directamente por la producción de nuevas partículas, o indirectamente por mediciones realizadas de las propiedades de B- mesones. ( LHCb, un experimento LHC dedicado a B-mesones, es probable que sea más adecuado para este último.)
La quark top, descubierto en Fermilab en 1995, ha tenido hasta el momento sus propiedades miden sólo aproximadamente. Con mucha mayor energía y mayores tasas de colisión, LHC producirá un enorme número de quarks top, permitiendo ATLAS para hacer mediciones mucho más precisas de su masa y de las interacciones con otras partículas. Estas mediciones proporcionarán información indirecta sobre los detalles del Modelo Estándar, tal vez revelando inconsistencias que apuntan a una nueva física. Mediciones de precisión similares se adoptarán de otras partículas conocidas; por ejemplo, ATLAS puede eventualmente medir la masa de la Bosón W dos veces mayor precisión previamente se ha logrado.
Tal vez las líneas más interesantes de la investigación son los que buscan directamente para los nuevos modelos de la física. Una teoría que es el objeto de mucha investigación actual es supersimetría roto. La teoría es popular debido a que potencialmente podría resolver una serie de problemas en la física teórica y está presente en casi todos los modelos de la teoría de cuerdas . Los modelos de supersimetría implican nuevas partículas, muy masivas; en muchos casos estas caries en los quarks de alta energía y partículas pesadas estables que son muy poco probable que interactúan con la materia ordinaria. Las partículas estables escaparían del detector, dejando como señal de una o más de alta energía jets de quarks y una gran cantidad de "Perdido" ímpetu . Otras partículas masivas hipotéticas, como las de La teoría de Kaluza-Klein, podría dejar una firma similar, pero su descubrimiento sin duda indicar que hubo algún tipo de física más allá del Modelo Estándar.
Una posibilidad remota (si el universo contiene gran dimensiones extra) es que microscópicos agujeros negros podrían ser producidos por el LHC. Estos serían decaer inmediatamente por medio de la radiación de Hawking , la producción de todas las partículas del Modelo Estándar en igual número y dejando una firma inequívoca en el detector ATLAS. De hecho, si esto ocurre, se llevarían a cabo los estudios primarios de bosones de Higgs y quarks top en las producidas por los agujeros negros.
Componentes
El detector ATLAS consta de una serie de cilindros concéntricos cada vez más grandes de todo el punto de interacción donde los haces de protones del LHC colisionan. Se puede dividir en cuatro partes principales: el Detector de Interior, los calorímetros, la espectrómetro de muones y los sistemas de imanes. Cada uno de ellos es a su vez hecha de múltiples capas. Los detectores son complementarios: el detector interno rastrea partículas precisamente, los calorímetros miden la energía de las partículas detenido fácilmente, y el sistema de muón realiza mediciones adicionales de muones altamente penetrantes. La curva dos sistemas de imanes cargada partículas en el detector de Interior y el espectrómetro de muones, permitiendo a sus ímpetus a medir.
Las partículas estables sólo establecidas que no pueden ser detectados directamente son neutrinos; su presencia se infiere si percibe un desequilibrio impulso entre partículas detectadas. Para que esto funcione, el detector debe ser " hermética ", y detectar todos los no-neutrinos producidos, sin puntos ciegos. Mantenimiento del rendimiento del detector en las zonas altas de radiación que rodean los haces de protones es un reto de ingeniería significativa.
Detector de Interior
El detector interno comienza a pocos centímetros de eje del haz de protones, se extiende a un radio de 1,2 metros, y es de siete metros de longitud a lo largo del tubo del haz. Su función básica es la de realizar un seguimiento de las partículas cargadas mediante la detección de su interacción con el material en puntos discretos, revelando información detallada sobre el tipo de partícula y su momento. La campo magnético que rodea todo el detector causas internas partículas cargadas a la curva; la dirección de la curva revela la carga de una partícula y el grado de curvatura revela su impulso. Los puntos de partida de las pistas proporcionan información útil para la identificación de partículas; por ejemplo, si un grupo de pistas parecen provenir de un punto que no sea la colisión protón-protón original, esto puede ser una señal de que las partículas provienen de la desintegración de un quark fondo (ver B-tagging). El Detector de Interior tiene tres partes, que se explican a continuación.
El detector de píxeles, la parte más interna del detector, contiene tres capas y tres discos en cada extremo-cap, con un total de 1.744 módulos, cada uno de dos centímetros que miden seis centímetros. El material de la detección es de 250 m de espesor de silicio . Cada módulo contiene 16 de lectura de los chips y otros componentes electrónicos. La unidad más pequeña que se puede leer a cabo es un píxel (cada uno de 50 por 400 micrómetros); hay aproximadamente 47.000 píxeles por módulo. El tamaño de píxel minutos está diseñado para el seguimiento extremadamente precisa muy cerca del punto de interacción. En total, el Detector Pixel tendrá más de 80 millones de canales de lectura, que es aproximadamente el 50% de los canales totales de lectura; un recuento tan grande creado un reto de diseño e ingeniería. Otro desafío fue el radiación del detector de píxeles estará expuesto a causa de su proximidad con el punto de interacción, que exige que todos los componentes sean Resistentes a las radiaciones a fin de continuar operando después de exposiciones significativas.
El Rastreador Semi-Conductor (SCT) es el componente medio del detector interno. Es similar en concepto y función al detector de píxeles pero con largas y estrechas franjas en lugar de pequeños píxeles, por lo que la cobertura de un área más grande práctico. Cada tira mide 80 micrómetros por 12,6 centímetros. El SCT es la parte más crítica del detector interno para el seguimiento de base en el plano perpendicular a la viga, ya que mide partículas sobre un área mucho más grande que el detector de pixel, con los puntos muestreados y más o menos igual (aunque unidimensional) de precisión. Está compuesto por cuatro capas dobles de tiras de silicio, y tiene 6,2 millones de canales de lectura y un área total de 61 metros cuadrados.
El seguidor de la radiación de transición (TRT), el componente exterior del detector interno, es una combinación de una rastreador de paja y una transición detector de radiación. Contiene muchos pajas, pequeños, cada cuatro milímetros de diámetro y de hasta 144 centímetros de largo. Esto le da una resolución mucho más gruesa que las otras dos detectores, un sacrificio necesario para cubrir un mayor volumen y que tiene un diseño diferente, complementaria. Cada paja se llena con gas que se convierte en ioniza cuando una partícula cargada pasa a través. Los iones producen una corriente en una cable de alta tensión que atraviesa la paja, la creación de un patrón de señales en muchos pajitas que permiten que la trayectoria de la partícula que se determine. También contiene materiales alternos con muy diferentes índices de refracción, provocando que las partículas para producir pagan la transición de radiación y dejar señales mucho más fuertes en cada paja. Dado que la cantidad de radiación de transición producida es mayor en altamente relativistas partículas (aquellos con una velocidad cercana a la velocidad de la luz ), y partículas de una energía particular, tienen una velocidad más alta es la más ligera que son, trayectorias de las partículas con muchas señales muy fuertes pueden ser identificados como las partículas más ligero cargadas, electrones . La TRT cuenta con unos 351 mil pajas en total.
Calorímetros
La calorímetros están situados fuera de la solenoidal imán que rodea el detector interno. Su propósito es medir la energía de las partículas mediante la absorción de la misma. Hay dos sistemas calorímetro básicos: un calorímetro electromagnético interno y un calorímetro de hadrónica exterior. Ambos son el muestreo calorímetros; es decir, que absorben la energía en el metal de alta densidad y de la muestra periódicamente la forma de la resultante lluvia de partículas, inferir la energía de la partícula original a partir de esta medición.
El electromagnética (EM) calorímetro absorbe la energía de las partículas que interactúan electromagnéticamente , que incluyen partículas cargadas y fotones. Tiene una alta precisión, tanto en la cantidad de energía absorbida y en la ubicación precisa de la energía depositada. El ángulo entre la trayectoria de la partícula y el eje del haz del detector (o más precisamente la pseudorapidez) y su ángulo en el plano perpendicular se miden dentro de aproximadamente 0,025 radianes . Los materiales absorbentes de energía son el plomo y acero inoxidable, con líquido de argón como el material de muestreo, y una Se requiere criostato alrededor del calorímetro EM para mantenerlo lo suficientemente frío.
La calorímetro de hadrones absorbe la energía de las partículas que pasan a través del calorímetro EM, pero no interactúan a través de la fuerza fuerte; estas partículas son principalmente los hadrones. Es menos precisa, tanto en magnitud de energía y en la localización (dentro de aproximadamente 0,1 a sólo radianes). El material de absorción de energía es de acero, con azulejos brillantes esa muestra la energía depositada. Muchas de las características del calorímetro son escogidos por su rentabilidad; el instrumento es grande y cuenta con una gran cantidad de material de construcción: la parte principal del calorímetro-azulejo-calorímetro es de ocho metros de diámetro y cubre 12 metros a lo largo del eje del haz. Las secciones de largo a plazo del calorímetro de hadrones están contenidas dentro de criostato del calorímetro EM, y el uso de argón líquido como lo hace.
Espectrómetro de muones
La muon espectrómetro es un sistema de seguimiento extremadamente grande, que se extiende desde un radio de 4,25 m alrededor de los calorímetros a la radio completo del detector (11 m). Se requiere su enorme tamaño para medir con precisión el impulso de muones, que penetran otros elementos del detector; el esfuerzo es de vital importancia debido a que uno o más muones son un elemento clave de un número de procesos físicos interesantes, y porque la energía total de partículas en un evento que no podían medirse con precisión si se ignoran. Funciona de manera similar al detector interno, con muones curvan de manera que su impulso se puede medir, aunque con una diferente configuración del campo magnético, menor precisión espacial, y un volumen mucho más grande. También sirve la función de identificar simplemente se espera muones, muy pocos partículas de otros tipos para pasar a través de los calorímetros y, posteriormente, dejar señales en el espectrómetro de muones. Cuenta con aproximadamente un millón de canales de lectura, y sus capas de detectores tienen una superficie total de 12.000 metros cuadrados.
Sistema magnético
El detector ATLAS utiliza dos sistemas de imanes grandes para doblar las partículas cargadas de modo que sus impulsos se pueden medir. Esta flexión es debido a la Fuerza de Lorentz, que es proporcional a la velocidad. Puesto que todas las partículas producidas en las colisiones de protones del LHC va a viajar a muy cerca de la velocidad de la luz, la fuerza sobre las partículas de diferentes momentos es igual. (En la teoría de la relatividad , el momento no es proporcional a la velocidad a tales velocidades.) Por lo tanto las partículas de alta momentum se curva muy poco, mientras que las partículas de bajo impulso se curva de manera significativa; la cantidad de curvatura puede ser cuantificado y el movimiento de la partícula puede determinarse a partir de este valor.
El interior solenoide produce un dos tesla campo magnético que rodea el detector interno. Este campo fuerte permite que incluso partículas muy energéticas a curva lo suficiente por su impulso que se determine, y sus cerca de dirección y fuerza uniforme permite realizar mediciones con gran precisión. Las partículas con momentos más o menos debajo de 400 MeV se curva tan fuertemente que se repetirá varias veces en el campo y muy probablemente no ser medido; Sin embargo, esta energía es muy pequeño comparado con el de varios TeV de energía liberada en cada colisión de protones.
El exterior campo magnético toroidal es producido por ocho grandes con núcleo de aire superconductor bucles de cañón y dos tapas de los extremos, todas ellas situadas fuera de los calorímetros y dentro del sistema de muones. Este campo magnético es de 26 metros de largo y 20 metros de diámetro, y se almacena 1,2 gigajulios de energía. Su campo magnético no es uniforme, debido a un imán de solenoide de tamaño suficiente sería prohibitivamente caros de construir. Afortunadamente, las mediciones tienen que ser mucho menos preciso para medir el impulso con precisión en el gran volumen del sistema muón.
Sistemas y análisis de datos
El detector genera inmanejable grandes cantidades de datos en bruto, unos 25 Megabytes por evento (en bruto; supresión de ceros reduce esta a 1.6 MB) veces 40 millones cruces de haz por segundo en el centro del detector, para un total de 1 Petabyte / segundo de datos en bruto. La sistema de disparo utiliza la información fácil de identificar, en tiempo real, lo más interesante eventos para conservar para su análisis detallado. Hay tres niveles de activación, el primero basado en la electrónica del detector y el otro de dos carreras sobre todo en una gran cluster de ordenadores cerca del detector. Después de que el gatillo de primer nivel, se han seleccionado unos 100.000 eventos por segundo. Después de que el gatillo de tercer nivel, unos pocos cientos de eventos aún no se han almacenado para su posterior análisis. Esta cantidad de datos requerirá más de 100 megabytes de espacio en disco por segundo - por lo menos un petabyte cada año.
Desconectado reconstrucción evento se llevará a cabo en todos los eventos almacenados de forma permanente, convirtiendo el patrón de señales del detector en objetos físicos, tales como jets, fotones , y leptones. La computación grid se utiliza ampliamente para la reconstrucción de eventos, lo que permite el uso paralelo de redes de universidades y de la computadora de laboratorio en todo el mundo para la CPU -Intensivo tarea de reducir las grandes cantidades de datos en bruto en una forma adecuada para el análisis de la física. La software para estas tareas ha estado en desarrollo durante muchos años, y continuará para ser refinado una vez que el experimento se está ejecutando.
Los individuos y grupos dentro de la colaboración escribirán su propia código para realizar un análisis más detallado de estos objetos, buscando en el patrón de partículas detectadas para determinados modelos físicos o partículas hipotéticas. Estos estudios ya están siendo desarrollados y probados en simulaciones detalladas de las partículas y sus interacciones con el detector. Estas simulaciones dan los físicos un buen sentido de que las nuevas partículas pueden ser detectadas y el tiempo que tomará para confirmarlos con suficiente estadística certeza.
