Передние детекторы ATLAS

    С каждой стороны детектора ATLAS расположены три сравнительно небольших детектора. Задачей первых двух (LUCID и ALFA) является измерение светимости в детекторе. Детектор LUCID расположен на расстояниях ± 17 м от области столкновения протонов. Он регистрирует неупругое рассеяние протонов. Детектор ALFA находится на расстояниях ± 240 м и представляет собой трековую систему сцинтилляционных волокон внутри «Римских горшков». Он приближен к оси пучка на расстояние ~1 мм.
    Задачей третьего детектора ZDC является определение центральности соударений ускоренных тяжелых ионов. Он находится на расстоянии ± 140 м сразу после разделения единой трубы пучка на две независимых. Он представляет собой калориметр, модули которого состоят из чередующихся кварцевых стержней и вольфрамовых пластин. Его задачей является измерение нейтральных частиц с псевдобыстротой |η| ≥ 8,2. Схема расположения детекторов приведена на рис.6.1.

Рис.6.1 Расположение передних детекторов ATLAS по оси пучка относительно точки соударений IP.

Детектор LUCID

    Детектор LUCID является черенковским интегральным детектором и предназначен для непосредственного контроля светимости в детекторе ATLAS. Он измеряет относительную светимость. Его задача регистрировать неупругие рр-взаимодействия в передней области, чтобы, во-первых, измерять интегральную светимость и, во-вторых, непрерывно контролировать светимость и состояние пучка. В перспективе он может быть использован при выделении дифракции как вето или метка для больших промежутков быстроты в событиях. В начальный период работы LHC детектор LUCID должен быть прокалиброван на данных светимости собственно LHC, имеющих точность ~ 20-30%. Могут быть использованы также физические процессы, например, счет W и Z-бозонов или эксклюзивное рождение пар мюонов во взаимодействиях двух фотонов. Наиболее точная калибровка может быть выполнена с помощью детектора ALFA, измеряющего упругое кулоновское рассеяние. Измерения светимости должны проводиться с точностью ~ 5%.
    При соударениях сгустков протонов на LHC могут происходить несколько рр-соударений. Их количество должно быть измерено. Число частиц, регистрируемое в детектор LUCID, пропорционально числу соударений.
    Детектор состоит из двадцати алюминиевых трубок длиной 1,5 м и диаметром 15 мм, ориентированных на точку соударений. Радиус их размещения относительно оси пучка 10 см, что соответствует |η| ≈ 5,8. Трубки помещены в корпус, заполненный газом C4F10 при давлении 1,2 - 1,4 бар, что обеспечивает черенковский порог для пионов 2,8 ГэВ и электронов 10 МэВ. Конструкционные элементы детектора LUCID показаны на рис.6.2.

Рис.6.2. Изображения детектора LUCID. На фотографии (а) два корпуса детекторов, готовых к применению. Схема (b) показывает, как трубка детектора размещена в конусе. Cхема емкости для газа показана на (с). Считывание черенковского света фотоумножителем - (d).

Детектор ALFA

    Детектор ALFA реализует традиционный метод измерения светимости на коллайдерах путем измерения рассеяния на малые углы. Амплитуда рассеяния вперед связана с величиной полного сечения взаимодействия оптической теоремой, которая может быть применена для определения светимости. Для таких измерений требуются углы ± 3 мкрад, что меньше угловой расходимости пучка, поэтому используется специальная оптика формирования пучка в области измерений. Техника «римского горшка» состоит в том, что некий объем, отделенный тонкой стенкой от вакуумной среды, помещается внутрь трубы пучка и соединяется с ней. Внутри этого выделенного объема в трубе размещается детектор. «Римские горшки» ATLAS приближены к пучку снизу и сверху на расстояние в 1 мм. Детектор построен из десяти двухсторонних модулей, каждый из которых содержит 64 сцинтилляционных волокна, размещенных перекрёстно, в (u – v) геометрии, с обеих сторон. Эффективная площадь детектора чуть менее 32 × 32 мм². Модули составляют стопку по глубине. В середине её с двух сторон находятся пластинки сцинтиллятора триггера первого уровня L1, отсылающего ему быстрый сигнал. Схема элементов детектора ALFA показана на рис.6.3. Измеренное разрешение детектора ALFA составило 25 ± 3 мкм.

Рис.6.3. Схема элементов детектора ALFA.

Детектор ZDC

    Основной задачей ZDC является измерение невзаимодействующих нейтронов при соударениях релятивистских тяжелых ионов при значениях псевдобыстрот |η| ≥ 8,3. На начальном этапе работы в протонном пучке, когда светимость коллайдера будет ниже 10³³ см^-2 с^-1, детектор ZDC будет служить для изучения дифракции и быть дополнительным триггером для регистрации неупругих minbias событий. Использование совпадений в обоих ZDC детекторах помогает подавить фон от взаимодействий пучков с остаточным газом и гало пучка.
    С каждой из сторон детектор ZDC состоит из четырех модулей: одного электромагнитного калориметра (толщиной 29 радиационных длин Х0) и трех адронных, каждый толщиной 1,14 длин взаимодействия λ_вз. Схема модуля электромагнитного калориметра приведена на рис.6.4. Он состоит из 11 вольфрамовых пластин, перпендикулярных пучку, между которыми расположены кварцевые стержни. Пластины вольфрама соединены со стальными пластинами длиной 290 мм. Стержней диаметром 1 мм всего 96 и они пересекают пластины параллельно пучку, образуя матрицу 8 × 12. Снаружи стержни согнуты на 90 град и идут вертикально вверх, где выходят на фотоумножитель, собирающий черенковский свет от проходящих частиц. При таком положении сигнальные стержни регистрируют свет и измеряют энергию частицы поперек пучка. Между пластинами вольфрама и стали проложены 1,5 мм кварцевые стрипы, которые идут вертикально и считываются сверху фотоумножителями. Эти стрипы фактически являются бороздами для кварцевых стержней, но именуются так для отличия от стержней, измеряющих координаты. Адронные модули подобны электромагнитному, отличаясь лишь количеством стержней, измеряющих координаты.

Рис.6.4. Схема модулей детектора ZDC.:а) электромагнитный модуль, в нижней части снаружи видны изогнутые координатные стержни, b) деталь, показывающая положение кварцевых стержней в бороздах (стрипах).