Великий адронний колайдер

Великий Адронний Коллайдер (ВАК)
Large Hadron Collider (LHC)

Великий адронний коллайдер-найбільший прискорювальний комплекс, на якому будуть стикатися пучки прискорених до енергії 7 ТеВ протонів, а також важкі іони. На рис. 1 показана схема прискорювального комплексу CERN. З джерел протонів і іонів протони після попереднього прискорення до 0.8 ГеВ надходять в протонний синхротрон PS (26 ГеВ), який далі інжектується їх в протонний синхротрон SPS (450 ГеВ). Протони з SPS надходять в кільцевої тунель Lнс, де до 2000 р прискорювалися зустрічні пучки електронів і позитронів на установці LEP. Довжина кільцевого тунелю LHC близько 27 км. У тунелі LHC два пучки протонів рухаються в протилежних напрямках і прискорюються до 7 ТеВ. Потім вони стикаються.

Мал. 1. Схема прискорювального комплексу ЦЕРН. Великий фдронний коллайдер

У 1994 р комітет LHC затвердив два проекти детекторів, призначених для роботи на новому прискорювачі: ATLAS (A T oroidal L HC A pparatu S) і CMS (C ompact M uon S olenoid). Загальні принципи дії установок ATLAS і CMS збігаються. Вони максимально перекривають простір навколо місця зіткнення прискорених пучків протонів (так звані 4π-детектори). Рішення будувати два детектора для проведення фізичних досліджень обумовлено необхідністю підтверджувати кожне відкриття незалежними експериментами. Незалежно створювані установки повинні забезпечити надійність одержуваних результатів. Кожен детектор має свою область перетину пучків. Всього таких областей на LHC чотири. Дві з них призначені для детекторів ATLAS і CMS. Дві що залишилися призначені для детекторів ALICE (дослідження зіткнень важких іонів, пошук кварк-глюонної плазми) і LHCb (вивчення фізики адронів, що містять b-кварк). Рішення про їх будівництво було прийнято через декілька років рішення про будівництво установок ATLAS і CMS.

На рис. 2 показаний детектор ATLAS, який створюється в даний час для реєстрації продуктів рр-зіткнень коллайдера LHC. Область зіткнення пучків оточена внутрішнім детектором (Inner Detector). Його діаметр становить 2 м, а довжина 6,5 м. Внутрішній детектор поміщений в надпровідний соленоїд, який забезпечує в межах детектора магнітне поле 2 Тл. У магнітному полі треки частинок викривляються в залежності від знака заряду частинки і її імпульсу. Завдання внутрішнього детектора - визначення точки зіткнення протонів і траєкторій вторинних частинок, які утворюються в результаті зіткнення. Для цього застосовуються два типи детектирующих пристроїв: кремнієві мікростріпи (Вони заповнюють саму центральну частину внутрішнього детектора і забезпечують точність вимірювання координати близько 0.01 мм), і детектор перехідного випромінювання (Більш віддалена частина внутрішнього детектора), що складається з тонких газонаповнених дрейфовий трубок діаметром 4 мм, між якими знаходиться речовина радіатора. Детектори виконані так, щоб частинки перетинали їх переважно перпендикулярно до площини детектора або осі трубки.
Щоб витримати радіаційні навантаження, кремнієві детектори повинні працювати при температурі 0 ° С. Тому ця частина трекової системи поміщена в кріостат. Траєкторія кожної частки великої енергії повинна мати 6 прецизионно виміряних точок. Для цього в установці ATLAS використовується 12 тисяч кремнієвих детекторів.
Довжина дрейфовий трубок детектора перехідного випромінювання досягає 1.6 м. Точність координати частинки в них становить близько 0.15 мм, але зате число точок вимірювання на один трек збільшено до 36. Крім того, дрейфові трубки реєструють перехідне рентгенівське випромінювання і, таким чином, забезпечують ідентифікацію електронів . Всього в детекторі використовується близько 400 тисяч дрейфовий трубок. Така кількість трубок необхідно для того, щоб забезпечити 4π-геометрію установки, і вимогою ефективності відновлення траєкторій частинок.
Внутрішній трековий детектор укладений в оболонку калориметр . Калориметрія грає важливу роль в установці ATLAS. Вона забезпечує прецизійне вимірювання енергії електронів, фотонів, «струменів» адронів, що виникають при адронізаціі кварків і «відсутньої» енергії, що буря нейтрино або іншими нейтральними слабовзаємодіючих частинками, наприклад, гіпотетичними суперсиметричних партнерами вже відомих частинок. Калориметри складаються з декількох великих модулів, призначених для реєстрації адронів в периферійній частині детектора і для реєстрації електромагнітного випромінювання в більш центральній його області. Модулі електромагнітного калориметра і торцевих адронних калориметр як речовини поглинача використовують рідкий аргон, що забезпечує необхідну швидкодію, високу роздільну здатність і високу радіаційну стійкість детектора. Адронний калориметр в більш наближеною до центру частині зібраний із залізних пластин, прослоенних сцинтиляторами. Це більш дешева і досить надійна конструкція в порівнянні з жідкоаргоннимі калориметрами.
Мюонів система ATLAS розташована за калориметрами, в яких поглинаються всі електрони, фотони і адрони. Мюони мають високу проникаючу здатність і в калориметрах поглинаються дуже мало. Тому практично всі зареєстровані мюонною системою заряджені частинки є мюонами. Основним типом детекторів в мюонною системі є дрейфові трубки діаметром 3 см. Результати вимірювань, отримані за допомогою мюонною системи (зовнішньої трекової системи), «зшиваються» з даними внутрішнього детектора для повної ідентифікації частинок.
Установка ATLAS розміщена під землею на глибині 100 м. Зіткнення протонних пучків (банчів) відбуватимуться кожні 25 наносекунд, т. Е. З частотою 40 МГц. При планованої на першому етапі світності прискорювача 1033 см-2с-1 при кожному зіткненні пучків буде відбуватися в середньому 2-3 протонних зіткнення. При светімості1034 см-2с -1 при кожному зіткненні пучків буде відбуватися ~ 25 протонних зіткнень.
У міру збільшення енергії зіштовхуються пучків детектування продуктів зіткнення стає все більш складним завданням.

Детектор ATLAS видаватиме величезний обсяг інформації. LHC буде створювати в центрі детектора майже 109 протон-протонних зіткнень в секунду (як уже зазначалося, протонні банчі будуть стикатися кожні 25 наносекунд). Такому числу рр-зіткнень відповідає обсяг інформації, що перевищує 40 мільйонів мегабайтів. Для того щоб вибрати потенційно цікаві події (за оцінками їх повинно бути менше 100 в секунду), буде використана спеціальна багаторівнева комп'ютерна система. Вибрані події піддадуться особливо ретельному off-line аналізу.
Гігантський обсяг інформації, що надходить з детектора ATLAS (приблизно 106 гігабайтів на рік), буде розподілятися серед приблизно 2000 фізиків з 34 країн і аналізуватися ними. Обчислювальні ресурси, необхідні для такого аналізу, еквівалентні більш ніж 10 000 РС Pentium III з частотою 500 МГц. Для успішної обробки даних з детектора ATLAS будуть використані найостанніші досягнення комп'ютерних технологій і операційних систем.

Див. також