Большой Адронный Коллайдер (БАК)
_{Large Hadron Collider (LHC)}

    Большой адронный коллайдер − крупнейший ускорительный комплекс, на котором будут сталкиваться пучки ускоренных до энергии 7 ТэВ протонов, а также тяжёлые ионы. На рис. 1 показана схема ускорительного комплекса CERN. Из источников протонов и ионов протоны после предварительного ускорения до 0.8 ГэВ поступают в протонный синхротрон PS (26 ГэВ), который далее инжектирует их в протонный синхротрон SPS (450 ГэВ). Протоны из SPS поступают в кольцевой тоннель LНС, где до 2000 г. ускорялись встречные пучки электронов и позитронов на установке LEP. Длина кольцевого тоннеля LHC около 27 км. В туннеле LHC два пучка протонов двигаются в противоположных направлениях и ускоряются до 7 ТэВ. Затем они сталкиваются.

    В 1994 г. комитет LHC утвердил два проекта детекторов, предназначенных для работы на новом ускорителе: ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) и CMS (Compact Muon Solenoid). Общие принципы действия установок ATLAS и CMS совпадают. Они максимально перекрывают пространство вокруг места соударения ускоренных пучков протонов (так называемые 4π-детекторы). Решение строить два детектора для проведения физических исследований обусловлено необходимостью подтверждать каждое открытие независимыми экспериментами. Независимо создаваемые установки должны обеспечить надежность получаемых результатов. Каждый детектор имеет свою область пересечения пучков. Всего таких областей на LHC четыре. Две из них предназначены для детекторов ATLAS и CMS. Две оставшиеся предназначены для детекторов ALICE (исследование соударений тяжелых ионов, поиск кварк-глюонной плазмы) и LHCb (изучение физики адронов, содержащих b-кварк). Решение об их строительстве было принято несколькими годами позже решения о строительстве установок ATLAS и CMS.

Рис. 2. Общий вид детектора ATLAS в разрезе. Пучки протонов влетают в детектор с диаметрально противоположных направлений и двигаются вдоль его оси, сталкиваясь в центре.

    На рис. 2 показан детектор ATLAS, который создается в настоящее время для регистрации продуктов рр-столкновений коллайдера LHC. Область соударения пучков окружена внутренним детектором (Inner Detector). Его диаметр составляет 2 м, а длина 6,5 м. Внутренний детектор помещен в сверхпроводящий соленоид, который обеспечивает внутри детектора магнитное поле 2 Тл. В магнитном поле треки частиц искривляются в зависимости от знака заряда частицы и ее импульса. Задача внутреннего детектора - определение точки соударения протонов и траекторий вторичных частиц, которые образуются в результате соударения. Для этого применяются два типа детектирующих устройств: кремниевые микрострипы (они заполняют самую центральную часть внутреннего детектора и обеспечивают точность измерения координаты около 0.01 мм), и детектор переходного излучения (более удаленная часть внутреннего детектора), состоящий из тонких газонаполненных дрейфовых трубок диаметром 4 мм, между которыми находится вещество радиатора. Детекторы выполнены так, чтобы частицы пересекали их преимущественно перпендикулярно к плоскости детектора или оси трубки.
    Чтобы выдержать радиационные нагрузки, кремниевые детекторы должны работать при температуре 0° С. Поэтому эта часть трековой системы помещена в криостат. Траектория каждой частицы большой энергии должна иметь 6 прецизионно измеренных точек. Для этого в установке ATLAS используется 12 тысяч кремниевых детекторов.
    Длина дрейфовых трубок детектора переходного излучения достигает 1.6 м. Точность определения координаты частицы в них составляет около 0.15 мм, но зато число точек измерения на один трек увеличено до 36. Кроме того, дрейфовые трубки регистрируют переходное рентгеновское излучение и, таким образом, обеспечивают идентификацию электронов. Всего в детекторе используется около 400 тысяч дрейфовых трубок. Такое количество трубок необходимо для того, чтобы обеспечить 4π-геометрию установки, и требованием эффективности восстановления траекторий частиц.
    Внутренний трековый детектор заключен в оболочку калориметров. Калориметрия играет важную роль в установке ATLAS. Она обеспечивает прецизионное измерение энергии электронов, фотонов, «струй» адронов, возникающих при адронизации кварков и «недостающей» энергии, уносимой нейтрино или другими нейтральными слабовзаимодействующими частицами, например, гипотетическими суперсимметричными партнерами уже известных частиц. Калориметры состоят из нескольких крупных модулей, предназначенных для регистрации адронов в периферийной части детектора и для регистрации электромагнитного излучения в более центральной его области. Модули электромагнитного калориметра и торцевых адронных калориметров в качестве вещества поглотителя используют жидкий аргон, что обеспечивает необходимое быстродействие, высокое разрешение и высокую радиационную стойкость детектора. Адронный калориметр в более приближенной к центру части собран из железных пластин, прослоенных сцинтилляторами. Это более дешевая и достаточно надежная конструкция по сравнению с жидкоаргонными калориметрами.
    Мюонная система ATLAS расположена за калориметрами, в которых поглощаются все электроны, фотоны и адроны. Мюоны имеют высокую проникающую способность и в калориметрах поглощаются очень мало. Поэтому практически все зарегистрированные мюонной системой заряженные частицы являются мюонами. Основным типом детекторов в мюонной системе являются дрейфовые трубки диаметром 3 см. Результаты измерений, полученные с помощью мюонной системы (внешней трековой системы), «сшиваются» с данными внутреннего детектора для полной идентификации частиц.
    Установка ATLAS размещена под землей на глубине 100 м. Соударения протонных пучков (банчей) будут происходить каждые 25 наносекунд, т. е. с частотой 40 МГц. При планируемой на первом этапе светимости ускорителя 10³³ см^-2с^-1 при каждом столкновении пучков будет происходить в среднем 2-3 протонных соударения. При светимости 10³⁴ см^-2с^-1 при каждом столкновении пучков будет происходить ~25 протонных соударений.
    По мере увеличения энергии сталкивающихся пучков детектирование продуктов столкновения становится все более сложной задачей.

Рис. 3. Поперечное сечение детектора ATLAS: 1 - вакуумная труба, в которой происходит ускорение частиц; 2 - трековый детектор; 3 - соленоидальный магнит; 4 - электромагнитный калориметр; 5 - адронный калориметр; 6 - мюонный детектор

    Детектор ATLAS будет выдавать огромный объём информации. LHC будет создавать в центре детектора почти 10⁹ протон-протонных столкновений в секунду (как уже отмечалось, протонные банчи будут сталкиваться каждые 25 наносекунд). Такому числу рр-столкновений отвечает объем информации, превышающий 40 миллионов мегабайтов. Для того чтобы выбрать потенциально интересные события (по оценкам их должно быть меньше 100 в секунду), будет использована специальная многоуровневая компьютерная система. Выбранные события подвергнутся особо тщательному off-line анализу.
    Гигантский объём информации, поступающий с детектора ATLAS (примерно 10⁶ гигабайтов в год), будет распределяться среди примерно 2000 физиков из 34 стран и анализироваться ими. Вычислительные ресурсы, необходимые для такого анализа, эквивалентны более чем 10 000 РС Pentium III с частотой 500 МГц. Для успешной обработки данных с детектора ATLAS будут использованы самые последние достижения компьютерных технологий и операционных систем.

См. также

• И. Иванов. Большой адронный коллайдер.
• Большой адронный коллайдер (LHC) и детектор ATLAS
• Большой адронный коллайдер LHC
• Кольцевые коллайдеры высокой энергии
• Коллайдер