Детекторы, используемые в физике высоких энергий для
регистрации частиц, состоят, как правило, из нескольких структур, входящих в
состав единого регистрирующего комплекса. Каждая структура рассчитана для
регистрации частиц с определенными характеристиками. Отдельные структуры
детектора расположены так, чтобы различного типа частицы, последовательно
проходя через них, оставляли определённую информацию о прошедшей через них
частице. На основе этой информации затем восстанавливаются такие характеристики
частицы как её тип, энергия, импульс, характеристики распада.
Принципы организации такого комплексного детектора
иллюстрируются рис. 1. Частицы рождаются в самой левой части рисунка в
результате взаимодействия либо сталкивающихся пучков коллайдера, либо одного
пучка ускоренных частиц с неподвижной мишенью. Рожденные частицы удаляются от
точки своего появления, последовательно проходя различные структуры детектора.
Заряженные частицы, такие как протоны, пионы и каоны, детектируются трековым
детектором (он расположен ближе всего к точке реакции) и далее −
электромагнитным и адронным калориметрами. Электроны детектируются трековым
детектором и электромагнитным калориметром. Нейтральные частицы, такие как
нейтроны и фотоны, не детектируются в трековом детекторе. Фотоны детектируются
электромагнитным калориметром, а нейтроны идентифицируются по энергии,
выделяемой в адронном калориметре.
Рис. 1. Принципы организации комплексного детектора в экспериментах по
физике высоких энергий
Так как мюоны имеют максимальный пробег в веществе
детектора из всех регистрируемых частиц, для их детектирования обычно используют
внешние участки детектора – мюонный детектор.
Многослойная структура детектора позволяет восстановить
траекторию частицы и определить точку её образования с точностью несколько
микрон. Таким образом, каждый тип частиц имеет свою собственную “подпись” в
детекторе. Например, если частица обнаруживается только в электромагнитном
калориметре то, скорее всего, это фотон. Мюон оставляет информацию во всех
структурах детектора.
Детекторный комплекс ATLAS
Для примера на рис. 2 показан детектор ATLAS, который
используется для регистрации продуктов рр-столкновений коллайдера LHC.
ATLAS размещен под землей на глубине 100 м. Соударения
протонных пучков 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.
Область соударения пучков окружена внутренним детектором (Inner
Detector). Его диаметр составляет 2 м, а длина 6.5 м. Он 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 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.
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.
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 − 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 большое 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
удаленной 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 будет 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-2сек-1
при каждом столкновении пучков будет происходить в среднем 2- 3 протонных
соударения. При светимости 1034 см-2сек-1 при
каждом столкновении пучков будет происходить уже 25 протонных соударений.
По мере увеличения энергии сталкивающихся пучков
детектирование продуктов столкновения становится все более сложной задачей.
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 миллилонов мегабайт. Однако лишь несколько событий, возникших в
результате этого огромного числа столкновений, будут представлять интерес для
исследователей, стремящихся к новым открытиям. 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
гигабайт в год), будет делиться 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.
