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∙10³⁴ см^-2с^-1. Такая энергия соответствует частицам космических лучей с энергий 10¹⁷ эВ, образующих широкие атмосферные ливни и относящихся к верхней границе их спектра. После нескольких лет работы коллайдера планируется увеличение светимости коллайдера до 10³⁵ см^-2с^-1. Этот проект носит название супер-LHC (SLHC).
    Помимо протонов, Большой адронный коллайдер будет ускорять тяжелые ионы. Энергия их соударений достигнет 5,5 ТэВ в системе взаимодействия нуклонов. Суммарная энергия взаимодействия составит величину в 150 ПэВ (5.5∙А^2/3∙А^2/3). Это позволит исследовать новые состояния вещества, отвечающие раннему времени развития Вселенной после Большого взрыва.

Детекторы Большого адронного коллайдера

Кольцо 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. 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.

Рис.1. Схема ускорительного комплекса ЦЕРН и расположения основных детекторов Большого адронного коллайдера LHC

    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 м³ и вес 5000 т. 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.
    Задачи эксперимента ALICE поиск новых состояний материи – кварк-глюонной плазмы; изучение распространения кварков в ядерной среде; поиск коллективных эффектов в ядерном веществе.
    В эксперименте LHCb исследуются распады с и b-кварков с точки зрения проверки Стандартной модели и поиска новой физики через виртуальное проявление новых частиц в характеристиках распадов.

Сотрудничество ATLAS

    Одним 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. Протвино. Остальными шестью участниками являются Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера (ИЯФ СО РАН), г.Новосибирск, Санкт-Петербургский институт ядерной физики (ПИЯФ) им. Б.П.Константинова, г.Гатчина, Институт экспериментальной и теоретической физики (ИТЭФ), Физический институт им. Лебедева (ФИАН), Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В.Скобельцына Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова (НИИЯФ МГУ), г. Москва. В составе ATLAS около 200 авторов от России и ОИЯИ.
    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.П.Шмелева). В 1996г. к работам по созданию Детектора переходного излучения ATLAS (TRT) присоединилась группа НИИЯФ МГУ, первоначально занимавшаяся разработкой микростриповых газовых детекторов для трековой системы ATLAS (руководитель Л.Н.Смирнова). В НИИЯФ МГУ были выполнены исследования по «старению» конструкционных элементов детектора, испытания материалов для создания циркуляционной газовой системы Детектора переходного излучения, выбору катализатора для восстановления активной газовой смеси детектора. Торцевые участки Детектора переходного излучения ATLAS были полностью изготовлены в ПИЯФ под руководством О.Л.Федина и в ОИЯИ под руководством В.Д.Пешехонова.
    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 ATLAS

    Для 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, глюоны, лептоны и фотоны. Эти частицы измеряются детектором.
    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].

1. ATLAS Collaboration, The ATLAS Experiment at the CERN Large Hadron Collider, JINST 3 (2008) S08003.
2. ATLAS Collaboration, Expected Performance of the ATLAS Experiment. Detector, Trigger and Physics, CERN-OPEN-2008-020, December 2008.
3. CMS Physics TDR, 8.1, V.1, CERN/LHCC 2006-001
4. CMS Physics TDR, V.II, CERN-LHCC-2006-021
5. F.Carminati et al., J.Phys.G: Nucl. Part. Phys. 30 (2004) 1517
6. ALICE Collaboration, J.Phys.G: Nucl. Part. Phys. 32 (2006) 1295
7. LHCb Collaboration, LHCb TDR , CERN/LHCC/98-4, 1998
8. DELPHI collaboration, P. Aarnio et al., NIM A303, 233 (1991)
9. D0 Detector, NIM A 338, 185 (1994)