Детекторы БАКа

Предисловие

Несколько дней назад мы набрали нужное кол-во лайков, а я вот только дописал 2 часть статьи про Большой Адронный Коллайдер! (ссылочка на первую часть - *клик*)

Ну больше мне особо нечего сообщить, так что переходим к самой статье. Сейчас я расскажу про четыре детектора, которые располагаются соответственно в четырёх точках коллайдера, где и происходят столкновения. Эти детекторы: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb.

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

Эксперимент ATLAS является одним из двух детекторов общего назначения на БАКе. Он исследует довольно широкий спектр физики: от бозона Хиггса до частиц, составляющих тёмную материю.

Частицы сталкиваются в центре детектора ATLAS, после чего появляются встречные обломки в виде новых частиц, которые разлетаются во всех направлениях. Детектор записывает путь, энергию и импульс каждой из этих частиц при помощи шести различных подсистем, расположенных в слоях вокруг точки столкновения. Впоследствии это позволяет идентифицировать каждую из них.

ATLAS получает очень много данных, поэтому для их обработки используется особая система, позволяющая сообщить детектору, какие сообщения стоит записывать, а какие - игнорировать. Для последующего анализа записанных данных используются сложные системы сбора данных и вычисления.

Размеры детектора довольно большие (ну в принципе понятно почему): 44 метра в длину и 25 метров в ширину, а его масса составляет 7'000 тонн.Эти параметры делает ATLAS самым большим детектором частиц, когда-либо созданным. Он находится в тоннеле на глубине в 100 м вблизи главного объекта ЦЕРН, недалеко от деревни Мейрин в Швейцарии. Многие компоненты этой установки вы видите на инфографике, но разберём их, пожалуй, по-отдельности:

Внутренний детектор

Внутренний детектор имеет цилиндрическую форму, внутреннее кольцо находится всего в нескольких сантиметрах от оси проходящего пучка частиц, а внешнее кольцо имеет диаметр в 2,1 метра и длину 6,2 метра. Он состоит из трех различных систем датчиков, погруженных в магнитное поле. Внутренний детектор измеряет направление, импульс и заряд электрически заряженных частиц, образующихся при каждом столкновении. Основными элементами данного компонента являются: полупроводниковая система слежения (трекер), трековый детектор переходного излучения и детектор мелких частиц (пиксельный детектор).

Жидкоаргонные калориметры (LAr Camorimeters)

Калориметры измеряют энергию, которую частица теряет, когда проходит через детектор. Он поглощает частицы, возникающие при столкновении, фиксируя их энергию. Калориметры состоят из слоев "поглощающего" материала с высокой плотностью — свинца, чередующегося со слоями "активной среды" — жидкого аргона. Калориметры могут останавливать большинство известных частиц (кроме мюонов и нейтрино).

Мюонный спектрометр

Спектрометр состоит из 4000 индивидуальных мюонных камер, использующих четыре различные технологи, позволяющие идентифицировать мюоны и измерять их импульсы. Эти частицы обычно проходят через внутренний детектор и калориметр, а потому и требуется наличие этого аппарата.

Магнитная система

Магнитная система ATLAS изгибает частицы вокруг различных слоев детекторных систем, что упрощает отслеживание треков частиц.

Вот мы и рассмотрели с вами эксперимент ATLAS, в котором работают более 3'000 ученых из 174 институтов из 38 стран. Теперь рассмотрим детектор CMS.

CMS (Compact Muon Solenoid)

CMS является детектором общего назначения, поэтому он так же как и ATLAS может использоваться в разных целях: от изучения стандартном модели до поиска частиц, составляющий тёмную материю.

Детектор построен вокруг огромного магнита-соленоида. Представляет собой цилиндрическую катушку сверхпроводящего кабеля. Поле ограничено стальным "хомутом", который является массивнейшим компонентом детектора (его масса целых 14 000 тонн!). Размеры же детектора следующие:
• длина — 21 м
• ширина — 15 м
• высота — 15 м

Состоит из 4 основных компонентов:

Магнит-соленоид
Является крупнейшим магнитом в мире, служащим для искривления траектории полёта частиц, которые появились из точки столкновения (про это я подробно рассказал в 1 части статьи). С его помощью определяется заряд частиц (положительно- и отрицательно заряженные частицы изгибаются в противоположных направлениях) и их импульс (его величина зависит от кривизны траектории частиц). Огромные размеры соленоида позволяют расположить в нём ещё трекер и калориметры прямо внутри катушки.

Кремниевый трекер
Состоит из 75 миллионов отдельных электронных датчиков, расположенных в концентрических слоях. Когда заряженная частица пролетает через слои трекера, она передает часть энергии каждому слою, что позволяет при объединении этих точек столкновения частицы с различными слоями определить её траекторию.

Калориметры
На детекторе CMS установлены электронный и адронный калориметры. Принцип их работы описан выше при разборе калориметров эксперимента ATLAS.

Саб-детекторы
Позволяют детектировать мюоны. Представлены 1'400 мюонными камерами, которые слоями располагаются вне катушки, чередуясь с металлическими пластинами "хомута".

Эксперимент CMS является одним из крупнейших международных научных исследований в истории, в котором принимают участие 4300 человек: физики в области элементарных частиц, инженеры и техники, студенты и вспомогательный персонал из 182 институтов, 42 стран (данные на февраль 2014 года).

ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

ALICE - детектор тяжелых ионов на кольцах большого адронного коллайдера. Он предназначен для изучения физики сильно взаимодействующего вещества при экстремальных плотностях энергии, где образуется особая фаза вещества, называемая кварк-глюонной плазмой.

Стоп-стоп, что образуется?

Поясняю. Вот мы знаем, то всё состоит из атомов, верно? А из чего же состоят сами атомы? Из ядра (состоящего из протонов и нейтронов) и электронов, вращающихся по орбите вокруг ядра. А из чего состоят эти протоны и нейтроны? Из ещё более мелких частиц - кварков (про них, кстати, я раньше упоминал на канале), соединённых с другими мелкими частицами - глюонами. Причём никакой кварк никогда не наблюдался отдельно: видимо, они с глюонами постоянно связаны вместе и ограничены внутри протонов и нейтронов.

Явление, связанное с невозможностью получения кварков в свободном состоянии, называется конфайнментом.

Столкновения в БАКе создают огромные температуры, из-за которых в этих экстремальных условиях протоны и нейтроны "расплавляются", создавая ту самую кварк-глюонную плазму.

Ну и наши любимые технические данные:

Масса — 10'000 тонн
Длина — 26 метров
Ширина — 16 метров
Высота — 16 метров

Эксперимент насчитывает более 1 000 ученых из более чем 100 институтов физики в 30 странах.

LHC-b (Large Hadron Collider beauty experiment)

Данный эксперимент исследует небольшие различия между веществом и антиматерией, изучая особый тип частицы - "бьюти-кварк" или "b-кварк".

Вместо того, чтобы окружать всю точку столкновения с помощью закрытого детектора, как рассмотренные выше ATLAS и CMS, эксперимент LHCb использует серию саб-детекторов для обнаружения тех частиц, которые были направлены вперед в результате столкновения. Первый саб-детектор установлен близко к точке столкновения, а остальные — один за другим на расстоянии 20 метров.

На БАКе создается очень много различных типов кварков, прежде чем они быстро распадаются на другие формы. Чтобы поймать те самые заветные b-кварки, для LHCb были разработаны сложные движущиеся следящие детекторы, расположенные вблизи движения пучка частиц по коллайдеру.

Около 700 ученых из 66 различных институтов и университетов вовлечены в эксперимент LHCb (данные на октябрь 2013 г)

Другие эксперименты на коллайдере

Помимо указанных выше четырёх детекторов, присутствуют ещё несколько. Долго запинаться на них не буду и расскажу про них в общих чертах:

LHCf (Large Hadron Collider forward)
Изучает частицы, выброшенные вперед после столкновения пучков частиц. Они имитируют космические лучи, исследованием которых и занимаются ученые в рамках эксперимента. Космические лучи — это естественные заряженные частицы из космического пространства, которые постоянно бомбардируют земную атмосферу. Это поможет физикам интерпретировать и откалибровать крупномасштабные эксперименты с космическими лучами.
В эксперименте LHCf участвуют 30 ученых из 9 институтов в 5 странах (данные на ноябрь 2012 г.)

TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation)
Эксперимент с самой длинной установкой на коллайдере. Его задачей является исследование протонов, путём точного измерения этих частиц, возникающих при столкновениях под малыми углами. Эта область известна как "прямое" направление и недоступна другим экспериментам LHC. Детекторы TOTEM распространяются почти на полкилометра вокруг точки взаимодействия CMS.
Эксперимент TOTEM включает около 100 ученых из 16 институтов в 8 странах (данные на август 2014 года).