1. Большой адронный коллайдер (LHC) и детектор ATLAS

    Основная задача физики высоких энергий − изучение строения материи на экстремально малых расстояниях. Для этого необходимы установки, которые могут создавать интенсивные потоки пробных частиц, обладающих как можно меньшей длиной волны де Бройля. Их взаимодействие с мишенью позволяет наблюдать особенности структуры мишени, размеры которых соизмеримы с длиной волны пробных частиц. Полная энергия частицы Е и ее импульс связаны с приведённой длиной волны ( = λ/2π) формулой де Бройля:

=  ћ/|| = ћc/(E² − m²c⁴)^1/2, при E >> mc² =  ћc/E,         (9.1)

где ћ = 6.58·10^-22 МэВ·с − приведенная постоянная Планка. Из соотношения (9.1) следует, что чем меньшей длиной волны должна обладать частица, тем до больших импульсов (энергий) необходимо эту частицу ускорить. Для этой цели строят ускорители высоких энергий.
    Первые ускорители высоких энергий были созданы в середине 50-х годов практически одновременно в г. Дубне Московской области, вблизи Женевы (Швейцария) и в Брукхевене (США). Основные знания о структуре микромира, об известных в настоящее время фундаментальных частицах (лептоны, кварки, калибровочные бозоны) и взаимодействиях, получены в экспериментах на ускорителях.
    Ускорение частиц очень сложный и дорогостоящий процесс. Достичь значительного выигрыша в энергии можно сталкивая между собой два ускоренных пучка частиц. Для этого оба пучка нужно одновременно сфокусировать в малом объеме области соударения и создать столь высокую плотность частиц, чтобы они могли эффективно взаимодействовать. Эти проблемы были успешно решены. Ускорители такого типа были созданы и получили название ускорителей на встречных пучках или коллайдеров (от английского collide − сталкивать).

    Первые коллайдеры, в которых сталкивались электроны, были запущены в 1965 г. в Институте ядерной физики под Новосибирском и в Стенфордской лаборатории (США). В 1971 г. был построен коллайдер, где сталкивались протоны, а в 1981 г в Европейской организации ядерных исследований (сокращенно CERN) вблизи Женевы был запущен коллайдер, сталкивающий протоны и антипротоны с суммарной энергией 600 ГэВ в системе центра масс (сцм) сталкивающихся пучков, В 1985г. в Фермиевской национальной ускорительной лаборатории (FNAL) в США был создан коллайдер протонов и антипротонов с энергией соударения 2 ТэВ в СЦМ (1 ТэВ = 10¹² эВ = 10³ ГэВ).
В таблице 1 приведены характеристики электрон-позитронных коллайдеров, работающих (или работавших) с начала 1970-х годов. В первом столбце указано название коллайдера, во втором - название научного центра или города в котором работает ускоритель, в третьем - годы работы, в четвертом - энергии пучков в ГэВ в СЦМ. В нижней строчке таблицы приведены характеристики единственного в настоящее время электрон-протонного коллайдера. Характеристики протон-антипротонных коллайдеров приведены в таблице 2. Эксперименты на протон-антипротонном коллайдере CERN привели к открытию в 1983 г. промежуточных W- и Z-бозонов, являющихся переносчиками слабого взаимодействия. Это открытие удостоено Нобелевской премии по физике за 1984 год. На ускорителе TEVATRON (FNAL) в 1995 г. был открыт t-кварк.

Таблица 1. Электрон-позитронные и электрон-протонные коллайдеры

Таблица 2. Протон-антипротонные коллайдеры

    Эксперименты на ускорителях дали огромное количество новой информации об элементарных частицах и характере взаимодействий между ними. Эта информация стимулировала попытки теоретического описания электромагнитных, слабых и сильных взаимодействии с единых позиций формализма квантовой теории поля. Современное теоретическое описание взаимодействия элементарных частиц дается Стандартной Моделью (СМ). В настоящее время СМ согласуется со всеми известными экспериментальными данными в области физики высоких энергий. Однако по-прежнему остаются неясными некоторые вопросы, связанные как с обоснованием самой модели так и с фундаментальными вопросами физики микромира. К таким вопросам относятся:

• выяснение механизма возникновения масс элементарных частиц;
• вопрос существования различных поколений фундаментальных фермионов и их числа;
• объяснение различия масс кварков и лептонов;
• вопрос о возможной составной природе кварков и лептонов;
• измерение времени жизни протона;
• проблема нарушения СР-симметрии;
• существование симметрии высших порядков, которые предсказывают существование суперсимметричных частиц;
• наблюдение нового состояния вещества − кварк-глюонной плазмы;
• в последние годы в связи с новыми экспериментальными данными особую остроту приобрела проблема массы нейтрино.

    Важность перечисленных выше проблем в изучении микромира обусловило одновременное возникновение в 80-х годах сразу нескольких проектов строительства коллайдеров с энергией соударения, достигающей десятков ТэВ. Однако сложность их реализации привела к тому что в настоящее время сооружается лишь один такой коллайдер, где будут сталкиваться протоны с суммарной энергией соударения 14 ТэВ в СЦМ. Он носит название "Большой Адронный Коллайдер" (LHC − Large Hadron Collider) и создается в CERN.
    На рисунке 1 показана схема ускорительного комплекса CERN. Протоны и ионы через накопительные кольца поступают в протонный синхротрон PS (26 ГэВ), который инжектирует протоны в протонный синхротрон SPS (450 ГэВ). Протоны из SPS будут поступать в тоннель LНС (14 ТэВ), где ускорялись встречные пучки электронов и позитронов на установке LEP.

Рис. 1. Схема ускорительного комплекса CERN

    Эффективность получения физической информации с коллайдеров зависит от интенсивности столкновений встречных пучков в области их пересечения. Число столкновений R в секунду определяется произведением сечения взаимодействия пучков σ и светимости коллайдера L

R = σL.

    Светимость L определяется числами частиц N₁ и N₂ в сгустках ускоряемых частиц, числом сгустков в пучках n, а также площадью поперечного сечения пучков S (в предположении, что они полностью перекрываются) и частотой обращения частиц в ускорителе ƒ:

L = ƒnN₁N₂/S

    Значения светимостей для современных действующих коллайдеров составляют около
10³¹-10³² см^-2c^-1. Планируемая светимость LHC составляет 10³³ см^-2c^-1 (режим низкой светимости) и 10³⁴ см^-2c^-1 (режим высокой светимости).

    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).Оба они были представлены коллективами физиков почти по полторы тысячи человек каждый. Следует заметить, что ныне действующие экспериментальные установки объединяют максимум несколько сотен сотрудников. 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. Таким образом, 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.
    Настоящая лабораторная работа посвящена моделированию экспериментов по исследованию характеристик Z-бозона на установке ATLAS. Ниже будет подробно рассказано об устройстве данной установки и физической программе, которую планируется выполнить на этой установке.
    Основная задача установки ATLAS заключается в том, чтобы выяснить механизм возникновения масс фундаментальных частиц. Один из наиболее разработанных механизмов связан с предположением существования в природе частиц, называемых Хиггсовскими бозонами. В детекторе предусмотрена возможность их регистрации в диапазоне масс от 80 ГэВ до 1 ТэВ. Кроме того, на установке ATLAS предполагается вести поиск суперсимметричных частиц, массы которых предсказаны теоретиками в области до 1 ТэВ, изучать проблему нарушения CP-симметрии и физические свойства тяжелых кварков.
    Детекторы, используемые в физике высоких энергий для регистрации частиц, состоят как правило из нескольких структур. Каждая структура рассчитана для регистрации частиц с определенными характеристиками.

Рис. 2. Взаимодействие различных типов частиц с отдельными структурами детектора.

    Отдельные структуры детектора расположены так, чтобы частицы последовательно проходили через них, оставляя определённую информацию о прошедшей через них частице. На основе этой информации затем восстанавливаются такие характеристики частицы как её тип, энергия, импульс, характеристики распада. Частица детектируется по взаимодействию с веществом детектора или по вторичным продуктам распада. Взаимодействие различных типов частиц с отдельными структурами детектора показано на рис. 2.
    Заряженные частицы, такие как протоны, пионы и каоны детектируются трековым детектором, электромагнитным и адронным калориметрами.
    Электроны и позитроны детектируются трековым детектором и электромагнитным калориметром.
    Нейтральные частицы, такие как нейтроны и фотоны, не детектируются в трековом детекторе. Фотоны детектируются электромагнитным калориметром, а нейтроны определяются по энергии, выделяемой в адронном калориметре.
    Т.к. мюоны имеют максимальный пробег в веществе детектора из всех регистрируемых частиц, для их детектирования обычно используют внешние участки детектора – мюонный детектор.
    Нейтрино на рис. 2 не показаны, потому что они имеют малую величину сечения взаимодействия с веществом, и, как правило, выходят из области детектора без взаимодействия.
    Многослойная структура детектора позволяет восстановить траекторию частицы и определить точку взаимодействия 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.

Рис.3. Общий вид детектора ATLAS.

    Рассмотрим схему установки ATLAS (рис.3). Область соударения пучков окружена внутренним детектором (Inner Detector). Его диаметр составляет 2 м, а длина 6.5 м. Он помещен в соленоид, который обеспечивает внутри детектора магнитное поле 2 Т. 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 детекторы, обеспечивающие точность измерения координаты частицы около 22 микрон, и детектор переходного излучения, состоящий из пропорциональных дрейфовых трубок диаметром 4 мм, между которыми находится вещество радиатора. Детекторы выполнены так, чтобы частицы пересекали их преимущественно перпендикулярно 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.
    Дрейфовые трубки повторяют геометрию цилиндра в центральной части, их длина достигает 1.6 м, и расположены в виде колец на большем расстоянии от точки соударения по оси пучка. Точность определения координаты частицы в дрейфовых трубках составляет около 150 микрон, 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 обусловлено требованием эффективности восстановления траекторий частиц.
    Внутренний трековый детектор заключен в оболочку калориметров. Калориметрия играет основную 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, суперсимметричными партнерами уже известных частиц. Калориметры состоят из нескольких крупных модулей, предназначенных для регистрации адронов и для регистрации электромагнитного излучения в центральной 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 центральной 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 будут происходить каждые 25 наносекунд, то есть с частотой 40 МГц. При планируемой на первом этапе светимости ускорителя 10³³ част/сек^-1/см^-2 при каждом столкновении пучков будет происходить в среднем 2-3 протонных соударения. При светимости 10³⁴ част/сек^-1/см^-2 при каждом столкновении пучков будет происходить 25 протонных соударений.

Рис. 4. Поперечное сечение детектора ATLAS. 1 − вакуумная труба, 2 − трековый детектор,
3 − соленоидальный магнит, 4 − электромагнитный калориметр, 5 − адронный калириметр,
6 − мюонный детектор.

Рис. 5. Более детальный вид трекового детектора. 1 − вакуумная труба, 2 − пиксельная камера,
3 − кремниевый трекер, 4 − детектор переходного излучения