ATLAS (del inglés A Toroidal LHC A pparatu S ) es uno de los cuatro experimentos principales en el colisionador LHC ( Large Hadron Collider , LHC) en la Organización Europea para la Investigación Nuclear CERN (CERN) en Ginebra ( Suiza ). El experimento se lleva a cabo en el detector del mismo nombre , diseñado para estudiar colisiones protón-protón (otros experimentos en el LHC son ALICE , CMS , TOTEM , LHCb y LHCf). En el proyecto participan unos 2000 científicos e ingenieros de 165 laboratorios y universidades de 35 países, incluida Rusia [1] . El experimento está diseñado para buscar partículas elementales superpesadas , como el bosón de Higgs y los socios supersimétricos de las partículas del modelo estándar . Los físicos creen que los experimentos con los detectores ATLAS y CMS pueden arrojar luz sobre la física más allá del modelo estándar .
Dimensiones del detector ATLAS: longitud - 46 metros , diámetro - 25 metros, peso total - alrededor de 7000 toneladas .
ATLAS fue desarrollado como un detector multipropósito. Cuando los haces de protones en colisión creados por el LHC chocan en el centro del detector, se producen varias partículas con una amplia gama de energías. En lugar de centrarse en un proceso físico específico, ATLAS está diseñado para medir la gama más amplia de señales de creación y descomposición de partículas. Esto garantiza que, independientemente de la forma que adopten los nuevos procesos físicos o partículas, ATLAS podrá detectarlos y medir sus propiedades. Los experimentos en colisionadores anteriores, como el Tevatron o el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP), se basaron en ideas similares. Sin embargo, la singularidad del LHC (energías sin precedentes y tasas de colisión extremadamente altas) hace que ATLAS sea más grande y más complejo que los detectores construidos hasta ahora.
El primer acelerador de partículas, el ciclotrón , fue construido por el físico estadounidense Ernst Lawrence en 1931, tenía un radio de sólo unos pocos centímetros y aceleraba protones a una energía de 1 MeV . Desde entonces, el tamaño de los aceleradores ha crecido a proporciones colosales, ya que una mayor energía de aceleración requiere mayores dimensiones lineales del acelerador. Y se requiere una gran energía de colisión para el nacimiento de partículas cada vez más pesadas. Hasta la fecha, la teoría física más completa que describe todos los fenómenos en los que participan las partículas elementales se denomina Modelo Estándar de física de partículas elementales. Con una excepción (el bosón de Higgs ), todas las partículas del modelo estándar se han observado experimentalmente. Se necesita un bosón de Higgs hipotético (actualmente) en el modelo estándar para explicar el origen de la masa de las partículas (consulte el mecanismo de Higgs ), ya que la simetría de calibre exacta en la que se basa esta teoría impone la condición de que todas las partículas deben carecer de masa. La mayoría de los físicos que trabajan en este campo creen que el bosón de Higgs en sí mismo no puede ser más pesado que unos pocos cientos de GeV, y que en una escala de energía de alrededor de 1 TeV, el modelo estándar debe fallar y dar predicciones incorrectas (esta hipótesis se llama la condición natural) . El tipo de física que puede aparecer a esta escala se suele denominar " física más allá del modelo estándar ".
El LHC se construyó para buscar y estudiar las propiedades del bosón de Higgs y buscar nuevos fenómenos físicos en una escala de aproximadamente 1 TeV. La mayoría de los modelos de nueva física propuestos por los teóricos predicen la existencia de partículas muy pesadas con una masa de cientos de GeV o varios TeV (en comparación, la masa de un protón es de aproximadamente 1 GeV). Dos haces de protones chocan en un túnel de 27 kilómetros de largo, y cada uno de los protones tiene una energía de hasta 7 TeV. Gracias a esta energía colosal, pueden nacer partículas pesadas que existían en la naturaleza solo en los primeros microsegundos después del Big Bang .
Para observar las partículas producidas en los aceleradores, se necesitan detectores de partículas elementales . Si bien pueden ocurrir fenómenos interesantes cuando los protones chocan, no es suficiente producirlos. Los detectores deben construirse para detectar partículas, medir sus masas, momentos , energías y cargas, determinar sus espines . Para identificar todas las partículas producidas en la región de interacción del haz de partículas, los detectores de partículas suelen estar dispuestos en varias capas. Las capas están formadas por diferentes tipos de detectores, cada uno especializado en determinados tipos de medidas. Las diferentes características que dejan las partículas en cada capa del detector se utilizan para la identificación eficiente de partículas y mediciones precisas de energía y momento (la función de cada capa en el detector se analiza a continuación ).
ATLAS está diseñado para explorar los diferentes tipos de física que se pueden encontrar en las colisiones energéticas en el LHC. Parte de esta investigación es para confirmar o mejorar las mediciones de los parámetros del Modelo Estándar, mientras que muchas otras están en busca de nueva física . A medida que aumenta la energía de las partículas producidas en un acelerador más grande, el tamaño de los detectores también debe aumentar para medir y absorber de manera efectiva partículas de energías más altas; como resultado, ATLAS es actualmente el detector de haz en colisión más grande [1] .
La colaboración ATLAS , es decir, un grupo de físicos que construyen un detector y realizan experimentos sobre él, se creó en 1992 cuando dos proyectos experimentales para el programa de investigación del LHC , EAGLE ( Experiment for Accurate G amma , L epton and Energy Measurements ) y ASCOT ( Aparato con toroides superco nductores ) unieron sus fuerzas y comenzaron a diseñar un único detector de uso general [2] . El diseño del nuevo dispositivo se basó en los desarrollos de ambas colaboraciones, así como de equipos que surgieron del proyecto colisionador SSC ( Superconducting Super Collider ) en EE. UU., que se cerró en 1993.
El experimento ATLAS en su estado actual fue propuesto en 1994 y aprobado oficialmente por la dirección del CERN en 1995 . A lo largo del tiempo transcurrido desde la creación de la colaboración, más y más grupos de físicos de diferentes universidades y países se han unido a la colaboración, y en la actualidad la colaboración ATLAS es una de las comunidades oficiales más grandes en física de partículas.
El montaje del detector ATLAS en el sitio subterráneo del CERN comenzó en 2003 , después de que se apagara el acelerador LEP anterior .
En 2017, la colaboración ATLAS celebró su 25.º aniversario con la planificación de un gran evento mediático el 2 de octubre [3] .
El detector ATLAS consta de una serie de grandes cilindros concéntricos alrededor del punto de interacción donde chocan los haces de protones del LHC. Se puede dividir en cuatro partes principales [4] : detector interno, calorímetros , espectrómetro de muones y sistemas magnéticos. Cada uno de ellos, a su vez, está formado por capas repetidas. Los detectores se complementan entre sí: un detector interno rastrea con precisión las partículas, los calorímetros miden la energía de las partículas que se detienen fácilmente y un sistema de muones realiza mediciones adicionales de muones de alta penetración. Dos sistemas magnéticos desvían las partículas cargadas en el detector interno y el espectrómetro de muones, lo que permite medir su impulso .
Las únicas partículas estables establecidas que no pueden detectarse directamente son los neutrinos ; su existencia se infiere de la inestabilidad del momento observada entre las partículas detectadas. Para que funcione, el detector debe estar "sellado" y detectar todos los que no sean neutrinos producidos, sin puntos muertos. Mantener el funcionamiento del detector en áreas de alta radiación que rodean inmediatamente a los haces de protones es un problema técnico importante.
El detector interior comienza a unos pocos centímetros del eje del haz de protones, tiene un radio exterior de 1,2 metros y una longitud de canal de haz de 7 metros. Su función principal es rastrear partículas cargadas, detectando su interacción con la materia en puntos individuales, revelando información detallada sobre el tipo de partícula y su momento. [5] . El campo magnético que rodea todo el detector interno hace que las partículas cargadas se desvíen; la dirección de la curva muestra la carga de la partícula y el grado de curvatura muestra el momento de la partícula. Los puntos de partida del sendero brindan información útil para la identificación de partículas ; por ejemplo, si el grupo de trazas parece originarse en un punto diferente al de la colisión protón-protón original, esto podría significar que las partículas llegaron desde el punto de decaimiento del quark b (ver en:B-tagging ). El detector interno consta de tres partes, que se describen a continuación.
El detector de píxeles , el interior del detector, contiene tres capas y tres discos en cada enchufe (un total de 1744 "módulos", cada uno de los cuales mide dos por seis centímetros). El material de detección es silicio de 250 micras de espesor. Cada módulo contiene 16 chips de lectura y otros componentes electrónicos. La unidad más pequeña que se puede percibir es el píxel (cada uno de 50 por 400 micrómetros); hay aproximadamente 47.000 píxeles por módulo. El tamaño de píxel fino está diseñado para un seguimiento extremadamente preciso muy cerca del punto de interacción. En total, el detector de píxeles tiene más de 80 millones de canales de lectura, que es aproximadamente el 50 % del total de canales de lectura; un número tan grande crea un proyecto y un problema técnico. Otro problema es la radiación a la que estará expuesto el detector de píxeles debido a su proximidad al punto de interacción (se requiere que todos los componentes estén protegidos para continuar funcionando después de dosis de radiación significativas).
Sistema de seguimiento de semiconductores ( Semi-Conductor Tracker , SCT): el componente central del detector interno. Es fundamentalmente y funcionalmente similar a un detector de píxeles, pero difiere en franjas largas y estrechas en lugar de pequeños píxeles, que cubren áreas más grandes. Las dimensiones de las tiras son de 80 micrómetros por 12,6 centímetros. SCT es la parte más crítica de un detector interno para el seguimiento básico en un plano perpendicular al haz, ya que mide partículas en un área mucho más grande que un detector de píxeles, con un muestreo de puntos más frecuente y aproximadamente igual (al menos en una dimensión). ) precisión. El SCT está compuesto por cuatro capas dobles de tiras de silicona, tiene 6,2 millones de canales de lectura y una superficie total de 61 metros cuadrados.
El rastreador de radiación de transición ( TRT) es el componente más externo del detector interno y es una combinación de un detector de rastreo y un detector de radiación de transición. El TRT consta de una gran cantidad de tubos de deriva - "paja", que son tubos, de cuatro milímetros de diámetro y 144 centímetros de largo (para la parte central). Como resultado, tiene una resolución más baja que los otros dos detectores (el precio inevitable a pagar por una cobertura de alto volumen) y tiene un diseño completamente diferente. Cada "pajilla" se llena con una mezcla de gases, que se ioniza cuando pasa una partícula cargada. Los iones y electrones se mueven por medio de un campo eléctrico, formando un pulso de corriente en el cable de alto voltaje del ánodo que pasa a lo largo del eje del tubo, lo que permite determinar los tubos por los que pasó la trayectoria de la partícula. Este detector también contiene un disipador, un apilamiento de películas y fibras de polipropileno, con una constante dieléctrica, índice de refracción , diferente del ambiente, lo que conduce a la emisión de partículas en los límites de los materiales de transición de radiación, que al pasar por el tubos, crea una liberación de energía adicional en la "pajilla". Dado que la radiación de transición que se produce cuando las partículas relativistas (que se mueven casi a la velocidad de la luz) cruzan la frontera de dos medios es proporcional al factor gamma de la partícula, algunas de las partículas, durante cuyo paso surgen señales de gran amplitud, son identificados como electrones . El TRT consta de aproximadamente 300.000 tubos de "paja".
Los calorímetros están ubicados fuera del imán solenoidal que rodea al detector interno. Su propósito es medir la energía de las partículas absorbiéndolas. Hay dos sistemas calorímetros principales: un calorímetro electromagnético interno y un calorímetro hadrónico externo. [6] Ambos calorímetros son del tipo muestreo , es decir, la mayor parte de la energía se absorbe en un metal de alta densidad, donde se produce una lluvia de partículas , y la medida de la energía absorbida se realiza en la sustancia de un volumen sensible, del cual se derivan las energías de las partículas iniciales.
Un calorímetro electromagnético (EM) absorbe la energía de partículas capaces de interacción electromagnética (entre ellas, partículas cargadas y fotones ). El calorímetro EM es muy preciso para determinar tanto la cantidad de energía absorbida como la posición exacta de la energía liberada. El ángulo entre la trayectoria de la partícula y el eje del haz (o, más precisamente, la pseudorapidez ) y su ángulo en el plano perpendicular se puede medir con un error de 0,025 radianes . Los materiales absorbentes de energía son plomo y acero inoxidable , y el agente sensor es argón líquido . El calorímetro EM está en un criostato para evitar que el argón se evapore.
El calorímetro de hadrones absorbe energía de las partículas que pasan a través del calorímetro EM pero que están sujetas a fuertes interacciones; estas partículas son en su mayoría hadrones. Es menos preciso tanto en energía como en localización (dentro de aproximadamente 0,1 radianes). [7] El material absorbente de energía es el acero y la energía liberada se mide en placas de centelleo. Muchas de las características del calorímetro se eligieron por su rentabilidad, ya que las dimensiones del dispositivo son grandes: la parte principal del calorímetro, incluidas las celdas calorimétricas, tiene 8 metros de diámetro y 12 metros a lo largo del eje del haz. Las secciones más avanzadas del calorímetro de hadrones están dentro del criostato del calorímetro EM y también usan argón líquido.
El espectrómetro de muones es un sistema de seguimiento extremadamente grande, que se extiende alrededor de los calorímetros desde un radio de 4,25 m hasta el radio total del detector (11 m). [4] Su enorme tamaño es necesario para medir con precisión el momento de los muones que penetran en otros elementos del detector; la medición es vital porque uno o más muones son un elemento clave en una serie de procesos físicos interesantes, y la energía total de las partículas en un evento no podría medirse con precisión si se ignoraran. Funciona como un detector interno, desviando muones para poder medir su momento, aunque tiene una configuración de campo magnético diferente , menor precisión espacial y un volumen mucho mayor. También se utiliza para identificar fácilmente los muones, ya que es prácticamente imposible que otros tipos de partículas pasen a través de los calorímetros y dejen señales en el espectrómetro de muones. Tiene alrededor de un millón de canales de lectura, sus capas detectoras tienen un área total de 12,000 metros cuadrados.
El detector ATLAS utiliza dos grandes sistemas de imanes para desviar las partículas cargadas y poder medir su impulso. Esta desviación es consecuencia de la fuerza de Lorentz , que es proporcional a la velocidad. Dado que prácticamente todas las partículas producidas en las colisiones de protones del LHC se mueven a velocidades cercanas a la luz, las fuerzas que actúan sobre las partículas con diferentes momentos son iguales. (Según la teoría de la relatividad , a tales velocidades el momento no es proporcional a la velocidad). Por lo tanto, las partículas con un gran momento se desviarán ligeramente, a diferencia de las partículas con un momento bajo; el grado de desviación se puede cuantificar y, a partir de este valor, se puede determinar el momento de la partícula.
El solenoide interno produce un campo magnético de dos teslas que rodea al detector interno. [8] Un campo tan fuerte permite que incluso las partículas muy energéticas se desvíen lo suficiente como para medir su momento, y su dirección y fuerza casi uniformes permiten mediciones muy precisas. Las partículas con momentos inferiores a unos 400 MeV se desviarán con tanta fuerza que formarán un bucle repetidamente en el campo y lo más probable es que no se midan; sin embargo, esta energía es muy pequeña comparada con los pocos TeV de energía liberados en cada colisión de protones.
El campo magnético toroidal externo es generado por ocho bobinas superconductoras de núcleo de aire muy grandes con dos enchufes, todas ubicadas fuera de los calorímetros y dentro del sistema de muones. [8] Este campo magnético tiene 26 metros de largo y 20 metros de diámetro y almacena 1,2 gigajulios de energía. Su campo magnético no es uniforme porque un imán solenoidal de tamaño suficiente sería prohibitivamente costoso de construir. Afortunadamente, las medidas deben ser mucho menos precisas para medir con precisión el impulso en el gran volumen del sistema de muones.
El detector produce una gran cantidad de datos sin procesar: alrededor de 25 MB por evento (en su forma original sin procesar, la supresión cero los reduce a 1,6 MB) para cada uno de los 40 millones de cruces de haz por segundo en el centro del detector, lo que da una total de 1 PB por segundo de datos sin procesar [9] [10] .
El sistema de activación utiliza la información de los detectores, que se puede procesar rápidamente, para seleccionar los eventos más interesantes en tiempo real y guardarlos para un análisis detallado. Hay tres niveles de activación: el primer nivel se basa en sistemas electrónicos especializados en los detectores, mientras que los otros dos operan en una granja de computadoras ubicada al lado del detector. Después del disparador de primer nivel , se seleccionan alrededor de 100 mil eventos por segundo. Después de un disparador de segundo nivel , varios cientos de eventos se almacenan para su posterior análisis. Esta cantidad de datos requería que se guardaran en el disco más de 100 MB de datos cada segundo, o al menos 1 PB por año [11] . En la década de 2010, la cantidad de datos que se necesita guardar se estimó en hasta 6 GB por segundo, se generan alrededor de 25 petabytes por año [10] [12] .
Para todos los eventos registrados, se realiza una reconstrucción fuera de línea , que convierte las señales de los detectores en entidades físicas como chorros de hadrones , fotones y leptones . Para reconstruir eventos, se utiliza intensivamente la computación grid (LHC Computing Grid), lo que permite el uso paralelo de redes informáticas de universidades y laboratorios de todo el mundo para la tarea intensiva en recursos (en el sentido de utilizar el tiempo del procesador) de reducir grandes cantidades de energía inicial. datos a una forma adecuada para el análisis físico. El software para estas tareas se ha desarrollado durante más de un año y continúa mejorando a medida que avanza el experimento.
Los usuarios y grupos individuales en la colaboración escriben sus propios programas utilizando las bibliotecas Geant y ROOT para analizar más a fondo estos objetos con el fin de tratar de identificar los objetos físicos en los eventos con un modelo físico particular o partículas hipotéticas. Estos estudios se prueban frente a simulaciones detalladas de interacciones de partículas en el detector, lo cual es necesario para tener una idea de qué nuevas partículas se pueden detectar y cuánto tiempo se puede tardar en confirmarlas con suficiente significación estadística .
Uno de los objetivos más importantes de ATLAS es explorar la parte que falta del modelo estándar, el bosón de Higgs . El mecanismo de Higgs , que incluye el bosón de Higgs, da masas a las partículas elementales, dejando al fotón sin masa; El modelo estándar está simplemente incompleto en las energías del LHC sin dicho mecanismo. Si no se hubiera descubierto el bosón de Higgs, se esperaría encontrar otros mecanismos de ruptura de simetría electrodébil (como el tecnicolor ) para explicar los mismos fenómenos.
El bosón de Higgs se descubrió detectando las partículas en las que se descompone; los estados de desintegración final más fáciles de observar son dos fotones o cuatro leptones . A veces, estas desintegraciones se pueden identificar de manera confiable como resultado de la producción del bosón de Higgs cuando se asocian con partículas adicionales en la reacción de producción; ver ejemplo en el diagrama de la derecha.
Las propiedades del quark t , descubierto en Fermilab en 1995, solo se han medido de forma aproximada hasta ahora. Con mucha más energía y frecuencias de colisión más altas, el LHC produce una gran cantidad de t-quarks, lo que permite mediciones mucho más precisas de su masa e interacciones con otras partículas [13] . Estas medidas proporcionan información indirecta sobre los detalles del modelo estándar, lo que puede generar algunas inconsistencias que apuntan a una nueva física. Se realizarán mediciones precisas similares para otras partículas conocidas; por ejemplo, se supone que ATLAS puede llegar a medir la masa del bosón W con el doble de precisión que antes.
Quizás las líneas de investigación más emocionantes son aquellas que buscan directamente nuevos modelos de física. Una de las teorías actualmente populares es la supersimetría . Esta teoría podría resolver muchos problemas de física teórica y está presente en casi todos los modelos de teoría de cuerdas . Varias versiones de la teoría de la supersimetría sugieren la existencia de nuevas partículas masivas, que en muchos casos se descomponen en quarks y partículas estables pesadas . La probabilidad de interacción de este último con la materia ordinaria es muy pequeña. Tales partículas no se registrarían directamente en el detector, sino que dejarían un rastro en forma de una gran cantidad de impulso "perdido" en presencia de uno o más chorros de quarks de alta energía . Otras partículas masivas hipotéticas, como en la teoría de Kaluza-Klein , podrían dejar un rastro similar , pero su descubrimiento también apuntaría a algún tipo de física más allá del Modelo Estándar.
Si el modelo de las grandes dimensiones extra es correcto, en el LHC podrían nacer agujeros negros microscópicos . [14] Se desintegrarían inmediatamente por la radiación de Hawking , produciendo cantidades aproximadamente iguales de todas las partículas del modelo estándar (incluidos los bosones de Higgs y los quarks t), lo que proporcionaría una identificación inequívoca de tal evento en el detector ATLAS. [quince]
Primavera de 2021: los participantes en el experimento ATLAS establecieron restricciones con mayor precisión en la sección transversal de producción del par de bosones de Higgs y en su constante de autoacoplamiento [16] .
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