2 Детектор ATLAS

    Детектор ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) [1] является детектором общего назначения на Большом адронном коллайдере ЦЕРН (Щвейцария).
     Основным элементом, определяющим внешний вид и размеры детектора ATLAS, является его магнитная система.  Внешний сверхпроводящий воздушно-зазорный тороид служит ключевым элементом ATLAS, обеспечивая прецизионное измерение импульсов мюонов во всем доступном интервале их значений. Общий вид детектора ATLAS приведен на рис. 2.1. Детектор ATLAS обладает осевой симметрией относительно продольного направления пучка ускоренных протонов и симметрией вперед-назад относительно центральной точки детектора, где происходит столкновение пучков протонов.

Рис.2.1. Схема детектора ATLAS.

    На схеме для удобства изображения отсутствуют две секции центрального тороида, половина больших торцевых дисков мюонных камер, сектор калориметров и внешней части Внутреннего детектора. Общая длина детектора 44 м, диаметр 25 м, вес 7000 т. На рис.2.2 показана схема  размещения детектора в подземном зале.

Рис.2.2. Схема размещения детектора ATLAS на пучке в подземном зале. 

    На рис.2.1 видны элементы конструкции тороида. Он состоит из центрального тороида (барреля) и двух торцевых. Видны скругленные протяженные прямоугольные секции катушек центрального тороида. Всего их восемь. Катушки (обмотки) торцевого тороида находятся в общем корпусе. В магнитном поле тороидов размещены детекторы мюонов. Справа и слева по краям расположены большие торцевые диски мюонных камер, диаметр этих дисков 25м. Тороидальный магнит с мюонными камерами составляет мюонный спектрометр детектора ATLAS.
    Следующим элементом при движении к центру детектора от мюонного спектрометра  служит адронный калориметр. Он состоит из нескольких блоков. Центральную часть занимают три секции адронного тайл-калориметра. Торцевым элементом адронного калориметра служит жидкоаргоновый адронный калориметр. В непосредственной близости к оси детектора расположен передний адронный калориметр.
    Внутри адронного калориметра находится жидкоаргоновый электромагнитный калориметр. Он также имеет центральную, торцевую и переднюю части. Все калориметры вместе составляют калориметрическую систему детектора ATLAS.
    Внутри калориметрической системы в непосредственной близости к трубе, в которой движутся и сталкиваются пучки протонов,  расположен Внутренний детектор. Он помещен в магнитное поле соленоида 2Т. Диаметр Внутреннего детектора 2 м, длина 5.4 м.  Элементами Внутреннего детектора служат пиксельные и микростриповые кремниевые детекторы и пропорциональные дрейфовые трубки детектора переходного излучения. Соленоид и тороиды совместно образуют магнитную систему детектора ATLAS.

Внутренний детектор

    Ближайшую к пучку область внутреннего детектора  занимают прецизионные пиксельные и микростриповые кремниевые детекторы. В центральной части (барреле) они размещаются на цилиндрах с осями вдоль направления пучка, на краях смонтированы на дисках, плоскости которых перпендикулярны пучку. Выбор конструкции обеспечивает условие, чтобы частицы из области соударения протонов пересекали плоскости детекторов вблизи нормали.
    Прецизионная трековая система полупроводниковых детекторов обеспечивает измерения в области псевдобыстрот |η| < 2.5. Наиболее точные измерения координат необходимо проводить вблизи соударений пучков. Эту задачу выполняют пиксельные  детекторы. Они сегментированы по радиусу и азимутальному углу (R – φ) и в продольном направлении z. Каждая частица пересекает три слоя пиксельных детекторов. Элемент сенсорной ячейки пиксельных детекторов имеет размеры 50мкм х 400мкм. Собственное координатное разрешение пикселей в барреле составляет  10 мкм по
(R – φ) и 115 мкм по продольной оси z. Для дисков это, соответственно, 10 мкм по (R – φ)  и 115 мкм по R. Общее число каналов считывающей электроники пиксельных детекторов составляет 80.4 млн. 
    Преодолев три слоя пикселей, каждая частица пересекает восемь слоев микростриповых кремниевых детекторов (SCT), обеспечивая измерение координат четырех пространственных точек. Микростриповые детекторы размещены, подобно пиксельным детекторам, на цилиндрах и дисках. Сенсоры детекторов имеют длину 6.4 см и период нанесения стрипов 80 мкм. Для координатных измерений стрипы ближайших слоев детекторов расположены под углом 40 мрад. При этом детекторы одного из слоев имеют стрипы с направлением вдоль оси z в барреле и по радиусу R на дисках. Число каналов электроники детекторов SCT составляет примерно  6.3 млн. 
    Таким образом, трек заряженной частицы, вылетающей из области столкновения протонов, имеет семь прецизионных измерений пространственных координат. Пиксели и микростриповые кремниевые детекторы составляют дискретную трековую систему внутреннего детектора. Её дополняет «непрерывная» трековая система, состоящая из тонких дрейфовых трубок (straw) диаметром 4 мм, расположенных близко друг к другу, и позволяющая зарегистрировать до 36 координат пересечения частицей трубок. В пространстве между трубками размещены мелко структурированные пластиковые материалы, которые обеспечивают переходное излучение заряженных частиц при пересечении ими этого множества слоев. Фотоны переходного излучения регистрируются дрейфовыми трубками наряду с сигналами от ионизационных потерь. Поэтому эта трековая система именуется трековым детектором переходного излучения (TRT, т.д.п.и.). Эффективная регистрация переходного излучения позволяет разделять треки адронов и электронов. В барреле трубки имеют  длину 144см и расположены параллельно оси детектора. В центре трубки имеется разделитель, позволяющей снимать электронный сигнал с половины длины трубки. На торцах трубки имеют длину 37см и расположены радиально в форме колес. Система TRT позволяет определить только
(R – φ) координату трека. Собственное координатное разрешение трубки составляет 130 мкм.   Общее количество каналов считывания сигналов составляет 351 тысячу. На рис.2.3 показано расположение элементов внутреннего детектора.
    Задачей внутреннего детектора является прецизионное измерение координат и импульсов заряженных частиц, а также реконструкция первичных и вторичных вершин. Первичные вершины определяются точкой столкновения протонов, вторичные относятся к точке распада вторичной частицы. Импульсы заряженных частиц измеряются выше порога 0.5 ГэВ/с в области псевдобыстрот |η| < 2.5. При измерении неупругих событий с минимальными условиями отбора возможно измерение импульсов при  меньшем пороге – 0.1 ГэВ/с. Кроме того, c помощью т.д.п.и. обеспечивается идентификация электронов в области псевдобыстрот |η| < 2.0 и в интервале импульсов 0.5-150 ГэВ/с.
    Впервые идея создания комбинированного т.д.п.и. была предложена группой МИФИ-ФИАН исходя из опыта разработки и эксплуатации детектора TRD (Transition Radiation Detector)  для эксперимента HELIOS. В создание т.д.п.и. установки ATLAS  вместе с институтами и группами ЦЕРН, Дании, Польши, Швеции, Турции и США значительный вклад внесли российские институты: ПИЯФ, МИФИ, ФИ РАН, НИИЯФ МГУ и ОИЯИ.

Рис.2.3. Схема внутреннего детектора ATLAS. Показаны цилиндры и диски пиксельных детекторов (pixel detectors), цилиндры барреля и торцевые (End-cap) диски микростриповых кремниевых детекторов полупроводниковой трековой системы (semiconductor tracker, SCT) и внешний объем, занимаемый трековой системой детектора переходного излучения (transition radiation tracker, TRT).

    Комбинация прецизионных детекторов на малых радиусах и дрейфовых трубок на больших радиусах обеспечивает надежную реконструкцию треков и высокую точность измерения координат
(R – φ) и z. Сигналы трубок существенно увеличивают координатную точность во внешней области Внутреннего детектора. Меньшая пространственная точность трубок в сравнении с прецизионными детекторами компенсируется их большим количеством и значительным увеличением измеряемой длины трека. Возможность реконструкции близких вторичных вершин от распадов тяжелых частиц обеспечивается преимущественно самым внутренним слоем пиксельных детекторов, размещенных на цилиндре с радиусом 5см.
    Оценка количества вещества в Детекторе переходного излучения в единицах радиационных длин Х₀, которое пересекает частица из области соударений пучков и вылетающая под углами, соответствующими значениям псевдобыстроты η = 0 и η = ±1.8, составляет 0.264Х₀ и 0.219Х₀, что соответствует изменению радиуса прямолинейной траектории, соответственно, на 529мм и 286мм. Детальное описание регистрации частиц в трековом детекторе переходного излучения приведено в [3].

Калориметры

    Все калориметры детектора ATLAS являются составными. Они перекрывают область псевдобыстрот |η| < 4.9. Электромагнитный калориметр (ЕМ) имеет высокую степень сегментирования в области псевдобыстрот, перекрываемых Внутренним детектором, для прецизионного измерения электронов и фотонов. Радиальная структурированность остальных калориметров обеспечивает необходимое разрешение при измерении струй и недостающей энергии Е_тmis. Полная толщина ЕМ калориметра детектора ATLAS составляет >22Х₀ в центральной части (барреле) и  >24Х₀ в торцевых частях. Толщина адронного калориметра составляет 9.7λ_вз (λ_вз – длина взаимодействия в веществе) в барреле и 10λ_вз на торцевых участках. Вместе с толщиной механических креплений 1.3λ_вз это составляет необходимые 11λ_вз для эффективного поглощения фона мюонов и надежного измерения недостающей энергии. Схема калориметров установки ATLAS приведена на рис.2.4.
    Электромагнитный жидкоаргоновый (LAr) калориметр ATLAS состоит из  центрального блока (барреля), соответствующего области псевдобыстрот  |η| < 1.475, и двух торцевых блоков, перекрывающих области 1.375 < |η| < 3.2. Каждый их этих трех элементов размещен в собственном криостате.

Рис.2.4. Схема калориметров установки ATLAS. Показаны модули электромагнитного калориметра (LArelectromagnetic barrel, EMEC), адронного (Tile, HEC) и переднего калориметров (FCal).

    Центральный блок электромагнитного калориметра состоит из двух идентичных частей, разделенных в центре при z = 0  промежутком в 4 мм. Каждый торцевой калориметр состоит из двух коаксиальных колес:  внешнего, перекрывающего область 1.375 < |η| < 2,5, и внутреннего, соответствующего области 2.5 < |η| < 3.2. Активным веществом ЕМ калориметра служит жидкий аргон, веществом поглотителя служит свинец. Слои  поглотителя и электродов, выполненных из каптона, имеют ребристую форму аккордеона. Это обеспечивает полную симметрию калориметра по азимутальному углу и быстрый сбор сигнала на электроды. Толщина слоя абсорбера оптимизирована в зависимости от значения псевдобыстроты |η| с целью обеспечения наилучшего энергетического разрешения калориметра. Суммарное количество каналов электроники считывания ЕМ калориметра составляет 173 тысячи, 14 тысяч каналов электроники предназначены для калибровки калориметра.
    Адронный тайл-калориметр размещается снаружи корпуса ЕМ калориметра. Это составной калориметр с абсорберами из стали и сцинтиллятором в качестве активного вещества. Он состоит из трёх блоков барреля. Центральный блок длиной 5,8 м соответствует параметрам псевдобыстроты
|η| < 1,0. Боковые блоки расширенного барреля имеют длину 2,6 м и перекрывают области
0.8 < |η| < 1.7. По азимутальному углу калориметр состоит из 64 модулей. Его внутренний радиус составляет 2.28 м, внешний 4.25 м. По радиусу калориметр сегментирован на области с толщиной 1.5,  4.1 и 1.8  λ_вз в центральном блоке. В боковых блоках он разделен радиально при толщинах 1.5, 2.6 и 3.3 λ_вз.
    Торцевой адронный LAr калориметр (HEC) расположен за торцевым ЕМ калориметром в одном с ним LAr криостате и состоит из двух колес. Он перекрывает псевдобыстроты в  области 1.5 < |η| < 3.2. Он перекрывает область тайл-калориметра на интервале псевдобыстроты 0.2 и захватывает на 0.1 область псевдобыстрот переднего калориметра. Каждое колесо состоит по азимуту из 32 идентичных модулей и состоит из двух секций по глубине. Ближайшие к области соударений секции имеют поглотитель в виде медных параллельных пластин толщиной 25 мм, в удаленных секциях медные пластины имеют толщину 50 мм.  Внешний радиус пластин 2.05  м, внутренний 0.475 м. В области перекрытия с передним калориметром он меньше и составляет 0. 372 м. Зазор между пластинами, заполненный жидким аргоном в качестве активного вещества, составляет 8.5 мм.
    Важной особенностью HEC является его способность измерять мюоны и любые иные ионизационные потери. Ионизационные потери мюонов и их треки  измеряются в HEC и в тайл-калориметре.
    Передний жидкоаргоновый калориметр интегрирован в торцевой криостат, что создает однородность калориметрии и поглощает фон перед мюонными камерами. Передний калориметр имеет толщину 10 λвз  и состоит из трёх модулей в каждом торце. Передний модуль, выполненный из меди, оптимизирован для измерения электромагнитных каскадов. Два последующих  модуля, выполненные из вольфрама, предназначены для измерения адронных взаимодействий.  Каждый модуль представляет собой металлическую матрицу с отверстиями, в которых размещены стержни и трубки электродов, параллельные оси пучка. Жидкий аргон в промежутках между стержнями и трубками создает активную среду калориметра. Промежуток между электродами в первом модуле составляет всего 0.27 мм и 0.5 мм в последнем. Малая толщина промежутка позволяет избежать проблем с ионными загрузками. Полное время электронного сигнала в электромагнитном модуле составляет 60 нс. Область псевдобыстрот переднего калориметра 3.1 < |η| < 4.9.  Количество каналов считывающей электроники 1762.              

Мюонный спектрометр

    Спектрометр предназначен для измерения импульсов мюонов с псевдобыстротой |η| < 2.7, что перекрывает область внутреннего детектора. При |η| < 1.4 мюоны измеряются в центральном тороиде с воздушными зазорами (барреле), в которых размещены камеры спектрометра. Магнитное поле в основном перпендикулярно направлению мюонов, что обеспечивает минимально возможное  снижение разрешения за счет многократного рассеяния. Интегральная величина поля составляет
1.5 – 5.5 Тм в барреле и от 1 до 7.5 Тм для 1.6 < |η| < 2.7. В области 1.4 < |η| < 1.6 интеграл поля ниже из-за наложения полей магнитов.  В центральной области камеры размещены в виде трёх цилиндрических слоёв, ось которых параллельна направлению протонных пучков. На торцах и в переходной области они размещаются на трёх плоскостях, перпендикулярных направлению пучка протонов.
    Измерения координат практически во всей области псевдобыстрот проводятся с помощью прецизионных мониторирумых дрейфовых трубок (MDT). В области 1.4 < |η| < 1.6, где существенно больше плотность потока частиц и высокий радиационный фон, измерения осуществляются с помощью многопроволочных пропорциональных камер с сегментированным стрипами катодом (CSC). Два типа камер (RPCи TGC) обслуживают систему триггера и перекрывают область |η| < 2.4. Их задачей является определение времени пересечения сгустков протонов в области соударений, точные измерения поперечных импульсов в пороговых областях для запуска триггера и определение координат треков мюонов в направлении, перпендикулярном измерениям прецизионных камер. Камеры RPC перекрывают центральную область |η| < 1.05. На торцах при 1.05 < |η| < 2.4 установлены камеры TGC. Оба типа камер обеспечивают поступление сигнала в пределах 15-25 нс, что соответствует периоду столкновения банчей. Оба типа триггерных камер измеряют две координаты: одну в плоскости прогиба траектории (η), другую в азимутальной плоскости (φ) без прогиба траектории. Схема размещения камер в барреле показана на рис.2.5

Рис.2.5. Схема размещения мюонных камер спектрометра в плоскости (х,y)  и (z,y) [7].

     На рис.2.6 показано событие, в котором мюон космического излучения пересекает детектор ATLAS вблизи его  центра симметрии.

Рис.2.6. Пересечение установки ATLAS мюоном космического излучения. Показаны сигналы в трековых детекторах и калориметре.

    Справа вверху показаны сигналы мюонных камер в азимутальной плоскости.

Рис.2.7. Корреляции между независимо измеренными углами трека мюона  φ₀и θ₀ во внутреннем детекторе и мюоном спектрометре для нижней половины установки ATLAS.

    В процессе ввода детектора в действие при измерении космических мюонов показана корреляция измерений углов треков во внутреннем детекторе и мюоном спектрометре (рис.2.7).  Относительная погрешность измерения импульсов частиц во внутреннем детекторе и мюонном спектрометре, а также при объединении этих измерений, полученная на этом этапе, показана на рис.2.8. Видно, что при малых импульсах доминирует вклад внутреннего детектора, а при больших мюонного спектрометра. Объединение результатов двух детекторов обеспечивает высокое импульсное разрешение во всем диапазоне импульсов мюонов.
    Результаты измерений с космическими мюонами и в тестовых режимах при вводе в действие детектора ATLAS приведены в работах [5-10].

Рис.2.8. Относительная погрешность измерения поперечных импульсов частиц σ(р_Т)/р_Т во внутреннем детекторе и мюонном спектрометре, а также при объединении этих измерений.

Литература к разделу 2

1. The ATLAS Experiment at the CERN Large Hadron Collider, ATLAS Collaboration, JINST 3 S08003 (2008)
2. The ATLAS Inner Detector commissioning and calibration, ATLAS Collaboration, Eur.Phys.J.C70 (2010)787
3. Трековый детектор переходного излучения ATLAS, A.Болдырев и др. Приборы и Техника Эксперимента 3 (2012) 27
4. The ATLAS Simulation Infrastructure, ATLAS Collaboration, Eur.Phys.J. C70 (2010) 823
5. Performance of the ATLAS Detector using First Collision Data, ATLAS Collaboration, JHEP 1009 (2010) 056
6. Readiness of the ATLAS Tile Calorimeter for LHC collisions, ATLAS Collaboration, Eur.Phys.J.C70 (2010) 1193
7. Commissioning of the ATLAS Muon Spectrometer with Cosmic Rays, ATLAS Collaboration, Eur.Phys.J.C70 (2010) 875
8. Studies of the performance of the ATLAS detector using cosmic-ray muons, ATLAS Collaboration, Eur.Phys.J.C71 (2011) 1593
9. Drift Time Measurement in the ATLAS Liquid Argon Electromagnetic Calorimeter using Cosmic Muons, ATLAS Collaboration, Eur.Phys.J.C70 (2010) 755
10. Readiness of the ATLAS Liquid Argon Calorimeter for LHC Collisions, ATLAS Collaboration,Eur.Phys.J.C70 (2010) 723