Детекторы на LHC • Устройство Большого адронного коллайдера
На Большом адронном коллайдере работают два крупных (ATLAS и CMS) и два средних (ALICE и LHCb) эксперимента, а также несколько экспериментов небольшого масштаба. Каждый из крупных и средних детекторов расположен в специально выделенном подземном зале; их положение в ускорительном кольце показано на схеме. Мелкие же детекторы будут работать поблизости от крупных. Особняком стоит эксперимент MoEDAL, который размещается на стенах экспериментального зала LHCb.
Небольшое терминологическое пояснение. Каждый детектор был создан отдельной коллаборацией — группой ученых и инженеров, набранной специально для этой цели. Эта же группа будет контролировать эксперимент — то есть работу детектора во время набора статистики, а также будет обрабатывать полученные данные. Все три синонима — детектор, эксперимент и коллаборация — будут использоваться в соответствии с тем, что именно нужно подчеркнуть — «железо», процесс работы или группу людей.
Сравнение ATLAS и CMS
ATLAS и CMS — два главных эксперимента на Большом адронном коллайдере. Это самые крупные и самые сложные из когда-либо построенных детекторов для коллайдерных экспериментов. Соответственно, коллаборации ATLAS и CMS — самые большие из когда-либо существовавших в экспериментальной физике элементарных частиц; каждая из них насчитывает не одну тысячу участников.
По своему устройству эти детекторы следуют классической схеме — в центре расположены трековые детекторы для измерения траекторий частиц, затем — калориметры для измерения их энергий, а снаружи — специальные детекторы для регистрации мюонов. Всё это погружено в сильное магнитное поле, направленное вдоль оси пучков, которое искривляет траектории частиц и позволяет по этому искривлению измерить их импульс.
Подробнее про устройство детектора ATLAS
Подробнее про устройство детектора CMS
Если посмотреть внимательно на размеры отдельных компонентов, то можно заметить, что центральная часть детекторов вместе с калориметрами относительно компактна, а свой впечатляющий размер эти детекторы набирают за счет большой системы мюонных детекторов.
Такой акцент на регистрации мюонов не случаен. Дело в том, что мюоны с высокой энергией — свидетельство того, что при столкновении протонов наверняка произошло что-то интересное, скорее всего связанное с электрослабыми взаимодействиями, а возможно, даже с хиггсовским бозоном или экзотическими частицами.
И ATLAS, и CMS являются многоцелевыми детекторами — они «заточены» под изучение любых процессов с высокоэнергетическими частицами. Однако их дизайн существенно различается. Детектор ATLAS имеет беспрецедентно большие размеры при умеренно сильном магнитном поле, в то время как детектор CMS создает очень сильное магнитное поле при умеренно больших размерах. В обоих случаях траектории частиц успевают искривиться примерно на одинаковую величину, поэтому и эффективность их измерения должна быть примерно одинаковой в обоих экспериментах.
Разная идеология — максимизация размеров или максимизация поля — накладывает разные требования на устройство детекторов. Например, умеренно сильное магнитное поле в детекторе ATLAS означает, что внутренний детектор должны быть довольно большим.
В результате только он помещается в центральный соленоид ATLAS, а калориметры расположены уже снаружи него. Это значит, что мюонные камеры расположены на еще больших радиусах, и для них требуется отдельно создавать магнитное поле (его обеспечивают тороидальные магниты).
Детектор CMS устроен иначе. Очень сильное магнитное поле можно сделать лишь с помощью умеренно компактного магнита, причем единого для внутренних детекторов и для внешних мюонных камер. Это значит, что мюонные камеры должны стоять сразу снаружи соленоида, и получается, что калориметры приходится помещать прямо внутрь соленоида. В результате критически важными становятся размеры калориметров, из-за чего приходится использовать очень тяжелые материалы. Возрастают и требования к электронике. В целом детектор получается очень тяжелым, и надежная механическая поддержка этой тяжести в условиях тесноты тоже становится нетривиальной инженерной задачей.
Детекторы ALICE и LHCb
Детекторы ALICE и LHCb являются крупными, но специализированными установками.
Детектор ALICE «заточен» под изучение столкновений тяжелых ядер, в которых рождаются уже не сотни, а десятки тысяч отдельных адронов, поэтому критическим для него становится умение различать треки отдельных частиц. Кроме того, специальные детекторы отслеживают «осколки» ядер, которые не поучаствовали в столкновении, а просто пролетели мимо.
Детектор LHCb предназначен для изучения свойств «прелестных» адронов (то есть адронов, содержащих b-кварк). Такие адроны успевают отлететь от оси пучка на доли миллиметра, поэтому ключевым элементом LHCb является вершинный детектор, который может заметить такое смещение. В обоих детекторах важнейшую роль играют системы идентификации частиц.
Подробнее про устройство детектора ALICE
Подробнее про устройство детектора LHCb
Форвард-детекторы
Все четыре основных детектора являются полноценными независимыми экспериментами. В дополнение к ним на LHC будут работать и несколько экспериментов-спутников. Они будут осуществляться с помощью так называемых форвард-детекторов.
Это детекторы скромных размеров, которые не охватывают целиком место столкновения частиц, а расположены на некотором отдалении от него, но близко к оси пучков. Такие детекторы устанавливаются рядом с двумя крупными детекторами и отлавливают частицы, которые вылетают под очень малыми углами к оси столкновения и поэтому не могут быть зарегистрированы в основном детекторе.
Имеется два основных типа форвард-детекторов — обычные, устанавливаемые снаружи вакуумной трубы, и так называемые детекторы Roman Pots, в которых тонкие полупроводниковые пластинки устанавливаются прямо внутри вакуумной трубы и могут пододвигаться к оси пучка на миллиметровые расстояния. Все форвард-детекторы будут находиться в области, максимально подверженной жесткой радиации от протонных столкновений, что накладывает серьезные ограничение на конструкцию детекторов и используемые при этом материалы.
На LHC уже готовы к работе два эксперимента с форвард-детекторами — TOTEM и LHCf. Кроме них в ближайшие годы планируется закончить разработку и встроить в ускоритель еще несколько детекторов такого типа: CASTOR, LUCID, ALFA, FP420.
Эксперимент TOTEM будет проводиться сразу на нескольких детекторных модулях, установленных в разных местах вдоль ускорителя недалеко от детектора CMS. Его задачи: измерить полное сечение столкновений протонов, упругое рассеяние на малые углы, изучить неупругие дифракционные процессы, а также измерить светимость протонных столкновений в центре CMS.
LHCf — это маленький и кратковременный эксперимент, в котором будут детектироваться рожденные в протонных столкновениях нейтральные частицы большой энергии — фотоны и нейтроны. Этот эксперимент очень пригодится для проверки теоретических моделей столкновения космических лучей очень высокой энергии (в основном протонов) с молекулами атмосферы. Проверка этих моделей позволит уточнить наши знания о космических лучах с энергией вплоть до 1017 эВ.
Подробнее про эксперимент TOTEM
Подробнее про эксперимент LHCf
Дополнительная литература:
- Эксперименты на LHC — официальные страницы.
- The CERN Large Hadron Collider: Accelerator and Experiments — специальный выпуск журнала Journal of Instrumentation с подробными обзорами устройства Большого адронного коллайдера и детекторов на нём.
Все статьи находятся в свободном доступе - А. Левин. Лобовое столкновение // «Популярная механика» №11, 2007.
Все статьи находятся в свободном доступеДетектор ATLAS (введение)
Начиная с 2010 года развитие физики высоких энергий будет
определяться результатами, полученными в экспериментах на Большом
адронном коллайдере LHC в Европейской лаборатории элементарных частиц ЦЕРН (CERN).
Лаборатория расположена в Женеве, на границе Швейцарии и Франции. В
течение 10-15-и лет детекторы будут регистрировать частицы,
возникающие при соударениях протонов с самой большой энергией,
достигнутой на Земле путём ускорения частиц. Планируется достичь
энергии соударения протонов 14 ТэВ и светимости 2∙10 Детекторы Большого адронного коллайдераКольцо
ускорителя Большого адронного коллайдера расположено под землей на глубине 75 –
100 м. Длина кольца 27 км. Схема ускорительного комплекса ЦЕРН приведена на
рис. 1. Детекторы Большого адронного коллайдера также расположены под землей
на уровне ускорителя. Основными детекторами коллайдера являются
ATLAS, CMS,
ALICE и LHCb. Две из них,
ATLAS [1,2] и CMS [3,4],
служат установками общего назначения и предназначены для поиска бозона Хиггса,
суперсимметричных и других экзотических частиц.
Задачи ATLAS и CMS
определили требования, которым должны удовлетворять эти детекторы. В
детекторах было необходимо реализовать достаточные точности измерений
при высоком быстродействии, обеспечить
эффективный отбор полезных событий при значительном подавлении фоновых
процессов, долговременную стабильность работы в условиях высоких
радиационных нагрузок и идентификацию частиц. В установках достигнуты
максимальные для физики коллайдеров размеры. Сравнение с аналогичными
установками на электрон-позитронном коллайдере LEP (например, DELPHI
[8]) и протон-антипротонном коллайдере Тэватрон (CDF
и D0) позволяет оценить эти различия.
Установка DELPHI имеет диаметр 10 м, длину 10 м и вес 3500 т, а
установка D0 [9] размер 15×9×9 м Сотрудничество ATLASОдним из двух основных детекторов на коллайдере LHC является ATLAS. Вместе с детектором CMS, он относится к детекторам общего назначения, основной задачей которых является поиск бозона Хиггса и суперсимметричных частиц. Для создания каждого из этих детекторов в середине 90-х годов физиками разных стран были созданы международные сотрудничества. Основу ATLAS составили
документы Письмо
о намерениях [ATLAS
Letter of Intend for a General-Purpose pp Experiment at Large Hadron
Collider at CERN, CERN/LHCC/92-4, LHCC/I2, 1 October 1992] и
Меморандум о
сотрудничестве 1996г.В настоящее время участниками сотрудничества ATLAS являются 147 институтов из 37 стран. В авторском коллективе 2900 членов, 1800 из которых имеют ученую степень в физике. Основные затраты на создание детектора ATLAS в период 1995-2008гг. составили 522 миллиона швейцарских франков. Вклад России совместно с Объединенным институтом ядерной физики (ОИЯИ) г.Дубна в создание детектора ATLAS составил величину 25,5 миллиона швейцарских франков, или 5% стоимости детектора. При этом в России было изготовлено 9% оборудования для детектора ATLAS [Зайцев А.М. Доклад на сессии ОЯФ РАН, ИТЭФ, 23.12.2009г.]. Помимо ОИЯИ, участниками сотрудничества ATLAS с российской стороны являются 7 институтов. Координирует российское участие в ATLAS Институт физики высоких энергий (ИФВЭ) в г.  Российские физики внесли как собственный творческий вклад в создание ATLAS, так и обеспечили выполнение крупных промышленных заказов по изготовлению оборудования и инфраструктуры детектора ATLAS. ИФВЭ и ОИЯИ внесли большой вклад в создание прецизионных мюонных камер магнитного спектрометра ATLAS, ими изготовлено около 20% таких камер. Значителен вклад России в калориметрию ATLAS.  В ИФВЭ была разработана технология литья под давлением и с её помощью
изготовлены сцинтилляторы для Тайл-калориметра ATLAS.
Были изготовлены система мониторирования Тайл-калориметра, электроды для
Переднего калориметра. Механика и сборка адронного калориметра выполнены
ИФВЭ и ОИЯИ. БИЯФ была разработана концепция торцевого жидкоаргонного
электромагнитного калориметра, выполнены работы по его точной механике и
созданию предливневого участка. В ФИАН создавались электроды для
адронного калориметра. Значительный вклад внесен в создание трековой
системы Внутреннего детектора ATLAS. Группой
МИФИ под руководством Б.А.Долгошеина в середине 1980-х годов была
предложена концепция детектора переходного излучения на основе
пропорциональных дрейфовых трубок. Такой детектор помимо измерения
траекторий позволяет эффективно выделять электроны на фоне интенсивного
потока адронов. Разработкой такого детектора совместно с МИФИ занималась
и группа ФИАН (руководитель А. Детектор ATLAS успешно участвовал в запуске Большого адронного коллайдера в сентябре 2008 г. и ноябре 2009 г. В ноябре-декабре 2009 г. детектором ATLAS было зарегистрировано 900 тысяч протон-протонных соударений при энергии взаимодействия 900 ГэВ. В 2010-11 гг. планируется 18 месяцев работы при энергии соударений 7 ТэВ при постепенном выходе на начальную светимость 1033 см-2 с-1.  Непосредственно регистрируемые физические объекты в детекторе ATLASДля поиска бозона Хиггса и новых массивных частиц из всех событий рр соударений необходимо отбирать такие соударения, в которых имело бы место жесткое столкновение составляющих протон кварков и глюонов. Жесткое столкновение сопровождается большой передачей импульса и приводит к образованию частиц с большими поперечными импульсами. Такими частицами, образованными в жестких соударениях как непостредственно, так и в результате распада других частиц, являются Кварки и глюоны высокой энергии образуют струи адронов. Мюоны образуют треки большой протяженности, электроны и τ-лептоны оставляют треки вблизи области соударений и каскады в калориметре. Фотоны образуют каскады в электромагнитном калориметре. Метод недостающей энергии позволяет регистрировать нейтрино высоких энергий. Таким образом, для решения поставленных задач детектор ATLAS должен обладать прецизионной трековой системой и мощной калориметрией.  Жесткие столкновения происходят достаточно редко, большая часть рр взаимодействий носит «мягкий» характер, происходит при малых передачах импульса. Это ставит задачу быстрого отбора событий, представляющих физический интерес, для дальнейшей регистрации. Отбор событий с заданными свойствами осуществляется в системе триггера установки. Планируемая частота соударений сгустков протонов в ускорителе LHC составляет 45 МГц. Эта величина должна обеспечить требуемую скорость набора физически значимых событий. Одновременно она предполагает высокую скорость работы триггера и регистрирующих систем детектора и устойчивость к высоким радиационным нагрузкам, которые создаются основным потоком «мягких» взаимодействий протонов. Все эти требования реализованы при создании детектора ATLAS. В настоящей работе представлено описание детектора и методов исследований, направленных на достижение цели проекта. В изложении использованы данные двух основных работ сотрудничества ATLAS, содержащих описание детектора [1] и принципов реализации эксперимента [2]. 
|
После
нескольких лет работы коллайдера планируется увеличение светимости
коллайдера до 1035 см-2с-1. Этот проект носит название супер-LHC
(SLHC).
Эксперимент ALICE [5,6] ставит целью изучение соударений ускоренных ионов, а LHCb [7] выполнит прецизионное исследование распадов
В-адронов. Расположение детекторов также показано на рис.1. Общий вид детекторов
приведен на рис. 2 – 5.
4. Общий вид детектора ALICE
Детектор ATLAS имеет диаметр 25 м
и длину 46 м, а вес установки CMS составляет
12500 т. Особенности конструкции установок ATLAS
и CMS обусловлены с первую очередь выбором
магнитных систем.Подробный обзор LHC
Детекторы
Близкий взгляд на LHC
Детекторы LHC были спроектированы, построены и введены в эксплуатацию в рамках международного сотрудничества, объединяющего ученых из институтов со всего мира.
Всего имеется четыре больших ( ATLAS, CMS, LHCb и ALICE) и пять малых ( TOTEM, LHCf, MoEDAL, FASER и SND@LHC ) детекторы (или эксперименты) на БАК. Учитывая, что на планирование и изготовление детекторов ушло 20 лет, а срок их эксплуатации должен был составить более 10 лет, общая продолжительность экспериментов почти эквивалентна всей карьере физика.
Группы исследователей продолжают разрабатывать новые «маленькие» детекторы с особыми свойствами и целями. Это относится к извещателю CODEXb .
событий (событие представляет собой столкновение со всеми вытекающими из него частицами) изучаются с помощью детекторов, способных реконструировать то, что происходило во время столкновений, и не отставать от огромной частоты столкновений. Детекторы можно сравнить с огромными трехмерными цифровыми камерами, которые могут делать до 40 миллионов снимков (с оцифрованной информацией с десятков миллионов датчиков) в секунду.
Детекторы построены слоями, и каждый слой имеет различную функциональность. Внутренние наименее плотные, а внешние более плотные и компактные.
Тяжелые частицы, которые ученые надеются получить в результате столкновений на БАК, по прогнозам, будут очень недолговечными и быстро распадутся на более легкие известные частицы. После сильного столкновения сотни этих более легких частиц, например электронов, мюонов и фотонов, а также протонов, нейтронов и других, пролетают через детектор со скоростью, близкой к скорости света. Детекторы используют эти более легкие частицы, чтобы сделать вывод о кратковременном существовании новых, тяжелых.
Траектории заряженных частиц искривляются магнитными полями, и их радиус кривизны используется для расчета их импульса: чем выше кинетическая энергия, тем меньше кривизна. Поэтому для частиц с высокой кинетической энергией необходимо измерить достаточно длинную траекторию, чтобы точно определить радиус кривизны. Другими важными частями детектора являются калориметры для измерения энергии частиц (как заряженных, так и незаряженных).
Калориметры также должны быть достаточно большими, чтобы поглощать как можно больше энергии частиц. Это две основные причины, по которым детекторы LHC такие большие. Детекторы сконструированы таким образом, чтобы герметично закрывать область взаимодействия, чтобы учитывать полный баланс энергии и импульса каждого события и восстанавливать его в деталях. Комбинируя информацию с разных слоев детектора, можно определить тип частицы, оставившей каждый след.
Заряженные частицы — электроны, протоны и мюоны — оставляют следы в результате ионизации. Электроны очень легкие и поэтому быстро теряют свою энергию, а протоны проникают дальше через слои детектора. Сами фотоны не оставляют следов, но в калориметрах каждый фотон превращается в один электрон и один позитрон, энергии которых затем измеряются. Энергия нейтронов измеряется косвенно: нейтроны передают свою энергию протонам, и эти протоны затем обнаруживаются. Мюоны — единственные частицы, которые достигают (и обнаруживаются) самыми внешними слоями детектора.
Каждая часть детектора подключена к электронной системе считывания тысячами кабелей. Как только регистрируется импульс, система фиксирует точное место и время и отправляет информацию на компьютер. Несколько сотен компьютеров работают вместе, чтобы объединить информацию. На вершине компьютерной иерархии находится очень быстрая система, которая за долю секунды решает, интересно событие или нет. Существует множество различных критериев для выбора потенциально значимых событий, и именно так огромные данные о 600 миллионах событий сводятся к нескольким сотням событий в секунду, которые подробно исследуются.
Приведенные выше тексты основаны на Landua R. (2008) . «БАК: ВЗГЛЯД ВНУТРИ» . Наука в школе, выпуск 10: зима 2008 г., стр. 34–45.
Конструкция этих детекторов является результатом того, что можно было бы назвать «групповым интеллектом»: в то время как ученые, работающие над детектором, понимают функцию прибора в целом, ни один ученый не знаком с деталями и точная функция каждой отдельной части.
В таком сотрудничестве каждый ученый своим опытом вносит свой вклад в общий успех.
При каждом длительном отключении (LS) различные ускорители, детекторы и другие устройства подлежат капитальному техническому обслуживанию, консолидации и модернизации. На изображении ниже показаны некоторых из них, выполненных на крупнейших детекторах во время LS2 (2019-2022).
[Изображение из Gibney E. (2022). Nature Vol 605, 604-607]
В каждом из разделов, посвященных каждому детектору, указаны наиболее важные проведенные усовершенствования.
Как работает детектор | CERN
Ускорители в CERN разгоняют частицы до высоких энергий, прежде чем они столкнутся внутри детекторов. Детекторы собирают сведения о частицах, включая их скорость, массу и заряд, на основе которых физики могут установить идентичность частицы. Процесс требует ускорителей, мощных электромагнитов и слоя за слоем сложных поддетекторов.
Частицы, образующиеся при столкновениях, обычно движутся прямолинейно, но в присутствии магнитного поля их пути искривляются. Электромагниты вокруг детекторов частиц генерируют магнитные поля, чтобы использовать этот эффект. Физики могут рассчитать импульс частицы — ключ к ее идентификации — по кривизне ее пути: частицы с большим импульсом движутся почти по прямой линии, тогда как частицы с очень низким импульсом движутся вперед по узким спиралям внутри детектора.
Современные детекторы частиц состоят из слоев поддетекторов, каждый из которых предназначен для поиска определенных свойств или определенных типов частиц. Устройства слежения показывают путь частицы; калориметры останавливаются, поглощают и измеряют энергию частицы; а детекторы идентификации частиц используют ряд методов для определения личности частицы.
Устройства слежения
Устройства слежения обнаруживают траектории движения электрически заряженных частиц при их прохождении и взаимодействии с подходящими веществами.
Большинство устройств слежения не делают треки частиц видимыми напрямую, а регистрируют крошечные электрические сигналы, которые вызывают частицы, когда они проходят через устройство. Затем компьютерная программа реконструирует записанные шаблоны дорожек.
Один тип частиц, мюон, очень мало взаимодействует с материей — он может пройти через метры плотного материала, прежде чем остановится. Таким образом, мюоны легко проходят через внутренние слои детектора, поэтому мюонные камеры — устройства слежения, специализирующиеся на обнаружении мюонов — обычно составляют самый внешний слой детектора.
Калориметры
Калориметр измеряет энергию, которую частица теряет при прохождении. Обычно он предназначен для полной остановки или «поглощения» большинства частиц, возникающих в результате столкновения, заставляя их отдавать всю свою энергию внутри детектора, таким образом измеряя их полную энергию. Калориметры должны одновременно выполнять две разные задачи — останавливать частицы и измерять потери энергии, — поэтому они обычно состоят из слоев разных материалов: «пассивного» или «поглощающего» материала высокой плотности — например, свинца — с чередованием «активная» среда, такая как пластиковые сцинтилляторы или жидкий аргон.
Электромагнитные калориметры измеряют энергию электронов и фотонов при их взаимодействии с электрически заряженными частицами вещества. Адронные калориметры измеряют энергию адронов (частиц, содержащих кварки, таких как протоны и нейтроны), когда они взаимодействуют с атомными ядрами. Калориметры могут останавливать большинство известных частиц, кроме мюонов и нейтрино.
Жидкоаргоновый калориметр эксперимента ATLAS имеет длину 6,4 метра и работает при температуре -183ºCДетекторы идентификации частиц
В дополнение к измерению импульса частицы с помощью устройств слежения и ее энергии с помощью калориметров, у физиков есть дополнительные методы уточнения ее личности. Все эти методы основаны на измерении скорости частицы, поскольку это в сочетании с импульсом, измеренным в устройствах слежения, помогает вычислить массу частицы и, следовательно, ее идентичность.
Скорость можно измерить несколькими способами. Самый простой — измерить, сколько времени требуется частице, чтобы пройти определенное расстояние, используя точные детекторы времени пролета.