Experiment ATLAS

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Collider mare de hadroni
(LHC)
LHC.svg
Lanțul acceleratorilor CERN, organizat în etape succesive de accelerație care se încheie cu injecția în LHC .
Experimente LHC
ATLAS Un aparat LHC toroidal
CMS Solenoid compact de muon
LHCb LHC-frumusețe
ALICE Un experiment mare de coliziune de ioni
TOTEM Secțiune transversală totală, împrăștiere elastică și disociere prin difracție
LHCf LHC-înainte
MoEDAL Detector monopol și exotice la LHC
Preîncărcătoare LHC
de ex. Pb Acceleratoare liniare de protoni (Linac 2) și plumb (Linac 3)
(nu este indicat) Proton Synchrotron Booster
PS Sincrotron de protoni
SPS Sincrotron Super Proton

ATLAS ( A T oroidal L HC A pparatu S ) este unul dintre cele șase detectoare de particule ( ALICE , ATLAS, CMS , TOTEM , LHCf și LHCb ) construite pentru Large Hadron Collider ( LHC ), un accelerator de particule la CERN în Elveția , a cărui construcție s-a încheiat în octombrie 2008 cu primele coliziuni între particule înregistrate în noiembrie 2009 [1] [2] . Detectorul are 46 de metri lungime, are un diametru de 25 de metri și cântărește aproximativ 7.000 de tone [3] . Experimentul este conceput pentru a observa fenomene care implică particule grele care nu au fost niciodată observate folosind acceleratoare anterioare cu energie inferioară și pentru a arunca lumină asupra noilor teorii ale fizicii particulelor dincolo de modelul standard . La proiect participă aproximativ 3.000 de oameni de știință și ingineri din 182 de institute din 38 de țări diferite [4] .

Istorie

Detectorul ATLAS în construcție, în 2004. Puteți vedea cei opt toroizi care generează câmpul magnetic. Partea centrală, goală în fotografie, va fi apoi ocupată de calorimetru , care măsoară energia particulelor produse de coliziunile dintre protoni. Observați persoana din centrul imaginii pentru a vă face o idee despre dimensiunea aparatului.

Colaborarea ATLAS, grupul de fizicieni care a construit și operează acum detectorul, a fost format în 1992, când cele două grupuri de colaborare EAGLE ( E xperiment for A ccurate G amma, L epton and E nergy Measurements ) și ASCOT ( A pparatus with S superioare de CO nductive T oroizi ) și-au fuzionat eforturile de a construi un singur detector de particule de uz general pentru colizorul mare de hadroni . [5] Proiectul a fost o combinație dintre cele din cele două grupuri anterioare și cercetarea și dezvoltarea care au fost efectuate pentru detectorul superconductor supraconductor , al cărui design fusese abandonat. Experimentul ATLAS a fost propus în forma sa actuală în 1994 și finanțat oficial de statele membre ale CERN în 1995. În anii următori s-au alăturat mai multe națiuni, universități și laboratoare, iar în prezent se adaugă alte instituții și oameni de știință. Lucrările de construcție au început în instituții individuale, componentele detectorului fiind expediate la CERN și asamblate în peștera experimentală ATLAS începând cu 2003 [6] [7] .

Experimentul ATLAS a înregistrat primele date din fasciculele de protoni ale marelui colisionator de hadroni la 10 septembrie 2008 [8] . De atunci a continuat să înregistreze evenimente de coliziune proton-proton LHC la energii în creștere: 900 GeV [9] , 7 TeV [10] , 8 TeV [10] și 13 TeV [11] . În 2012, colaborarea oamenilor de știință care lucrează la experimentul ATLAS, împreună cu oamenii de știință ai experimentului CMS, au anunțat descoperirea unui boson neutru (o particulă cu un spin întreg) [12] . De la descoperirea sa, analizele datelor din experimentele CMS și ATLAS arată că această nouă particulă are caracteristicile bosonului Higgs [13] .

Descriere

ATLAS este conceput ca un detector de direcție generală. Când cele două fascicule de protoni accelerați de colizorul mare de hadroni interacționează în centrul detectorului, se poate produce o mare varietate de particule, pe o gamă largă de energie. În loc să se concentreze asupra unui anumit proces fizic, ATLAS este conceput pentru a măsura cea mai largă gamă posibilă de semnale. Aceasta este pentru a se asigura că orice caracteristică poate avea un nou proces fizic sau o nouă particulă, ATLAS este capabil să le detecteze și să le măsoare proprietățile. Unele detectoare de particule construite pentru acceleratoare anterioare, precum Tevatron și Large Electron-Positron Collider , au fost proiectate pe baza unei filozofii similare. Cu toate acestea, provocările ridicate de Large Hadron Collider (energia fără precedent și numărul mare de evenimente) au necesitat construirea unui detector precum ATLAS, cu dimensiuni și complexitate mai mari decât orice detector construit până acum.

Colaborarea ATLAS a fost condusă în primii 15 ani de Peter Jenni și între 2009 și 2013 de Fabiola Gianotti . Din 2013, purtătorul de cuvânt al ATLAS este David Charlton.

fundal

Primul ciclotron , unul dintre primele tipuri de acceleratoare de particule, a fost construit de Ernest Orlando Lawrence în 1931, cu o rază de doar câțiva centimetri și o energie per particulă de 1 MeV . De atunci, acceleratoarele au crescut enorm ca dimensiune și energie, în încercarea de a produce noi particule de mase din ce în ce mai mari . Creșterea acceleratorilor a fost potrivită cu cea a listei de particule cunoscute, care ar putea fi utilizate sau detectate în experimente. Cel mai cuprinzător model de interacțiuni cu particule disponibile astăzi este cunoscut sub numele de Model standard . Dar, deși modelul prezice că trebuie să existe quarkuri , electroni și neutrini , nu explică de ce masele particulelor sunt atât de diferite. Datorită acestei încălcări a „naturalității”, mulți fizicieni ai particulelor cred că este posibil ca Modelul standard să nu mai fie valabil la energii peste „energia de frontieră” actuală de aproximativ 1 TeV (corespunzând energiei Tevatron ).

Dacă se observă o astfel de „fizică dincolo de modelul standard”, speranța este că un nou model, identic cu modelul standard la energii precum cele explorate până acum, poate fi dezvoltat pentru a descrie fizica particulelor la energii și mai mari. Majoritatea teoriilor propuse până acum prezic particule masive, dintre care cea mai ușoară poate fi observată de ATLAS. La o circumferință de 27 km , Large Hadron Collider (LHC) va ciocni două fascicule de protoni cu suficientă energie pentru a produce particule de aproximativ 10 ori masele oricărei particule cunoscute în prezent - presupunând, desigur, că astfel de particule există. Cu o energie de șapte milioane de ori mai mare decât a primului accelerator, LHC reprezintă o „nouă generație” de acceleratoare de particule.

Desigur, particulele produse în acceleratoare trebuie respectate: aceasta este sarcina detectoarelor de particule.

Deși pot apărea fenomene interesante în coliziunea protonilor, nu este suficient să le producem. Este necesar să construiți detectoare pentru a dezvălui particulele nucleare, masele lor, impulsul , energiile , încărcăturile și rotirile . Pentru a identifica toate particulele produse la punctul de interacțiune atunci când fasciculele de particule se ciocnesc, detectoarele sunt de obicei proiectate cu o structură de „ceapă”. Straturile sunt alcătuite din detectoare de diferite tipuri, fiecare observând un anumit tip de particule. Diferitele reacții pe care le provoacă particulele în fiecare strat permit identificarea lor și măsurarea exactă a energiilor și a impulsului. Pe măsură ce energia particulelor produse de accelerator crește, detectorul corespunzător trebuie să crească în dimensiune pentru a se opri efectiv și pentru a măsura mai multe particule energetice. ATLAS este cel mai mare detector de particule construit vreodată lângă un colizor.

Componente

Detectorul de particule ATLAS

Detectorul ATLAS constă dintr-o serie de cilindri concentrici construiți în jurul punctului de interacțiune , punctul în care se ciocnesc fasciculele de protoni ale LHC. Poate fi împărțit în patru părți principale: detectorul intern, calorimetrele , spectrometrele cu muoni și sistemul magnetic. [14] Fiecare componentă este alcătuită din mai multe straturi. Detectoarele sunt complementare: detectorul intern urmărește cu precizie particulele încărcate, calorimetrele măsoară energia particulelor mai ușor de oprit și spectrometrul cu muoni permite detectarea muonilor , care sunt mai pătrunzători și trec prin ceilalți detectori. Sistemul magnetic deviază particulele încărcate în detectorul intern și în spectrometrul muon, permițând astfel măsurarea impulsului lor.

Singurele particule stabile care nu pot fi detectate direct de ATLAS sunt neutrinii : prezența lor este dedusă din încălcări aparente ale conservării impulsului în timpul unei coliziuni. Pentru a îndeplini această sarcină, detectorul trebuie să fie „ermetic”, adică trebuie să permită măsurarea tuturor celorlalte particule, fără pete oarbe.

Menținerea eficienței detectoarelor într-o zonă supusă radiațiilor intense, cum ar fi cea care înconjoară punctul de interacțiune, este o provocare inginerească considerabilă.

Program de cercetare

ATLAS este conceput pentru a explora diferite tipuri de fenomene fizice care ar putea fi detectate în coliziile de mare energie ale LHC. Unele dintre acestea sunt confirmări sau măsuri mai bune ale modelului standard , în timp ce altele sunt căutări de noi teorii fizice.

Un segment, reprezentând bosonul Higgs, se bifurcă în două segmente, reprezentând bosonii Z, care la rândul lor se bifurcă în două leptoni fiecare.
O schemă, numită diagrama Feynman , care reprezintă unul dintre modurile de descompunere a bosonului Higgs. Bosonul Higgs se descompune într-un boson Z și un boson Z virtual, iar fiecare dintre acestea la rândul său se descompune în doi leptoni .

Unul dintre obiectivele principale ale ATLAS a fost să caute ultima piesă lipsă a modelului standard, bosonul Higgs [15] .

Mecanismul Higgs , care include existența bosonului Higgs, explică masa particulelor elementare, evidențiind diferențele dintre forța nucleară slabă și electromagnetism și dând masă bosonilor W și Z , în timp ce fotonul rămâne fără masă. Bosonul Higgs nu este dezvăluit direct, ci prin identificarea particulelor în care se descompune. Primele descompuneri observate au fost decăderea în doi fotoni ( ) și decăderea în patru leptoni ( Și ) [16] .

Cu datele colectate de ATLAS este investigată și asimetria dintre comportamentul materiei și antimateria , cunoscută sub denumirea de încălcare a CP [17] . Experimentele care au studiat până acum încălcarea CP, cum ar fi BaBar și Belle , nu au dezvăluit încă încălcări suficiente în modelul standard pentru a explica absența antimateriei în univers [18] . Este posibil ca noile modele fizice să introducă încălcări suplimentare ale CP, aruncând lumină asupra problemei; aceste modele pot fi verificate direct prin producerea de particule noi sau indirect prin proprietățile mezonilor B. Un alt experiment LHC, LHCb , este dedicat studierii încălcării CP.

Proprietățile quarkului de top , descoperite la Fermilab în 1995, au fost până acum doar investigate aproximativ. Datorită energiei mai mari și a numărului mai mare de evenimente, LHC produce un număr mare de quarks de top, permițând ATLAS să facă mai multe măsurători ale masei sale și interacțiunilor sale cu alte particule. Aceste măsurători furnizează informații indirecte cu privire la detaliile modelului standard și ar putea dezvălui inconsecvențe care ar putea duce la noi teorii fizice.

Măsurători de precizie similare sunt efectuate pentru alte tipuri de particule, de exemplu datele colectate de ATLAS au făcut posibilă măsurarea exactă a masei bosonului W , unul dintre cei doi mediatori ai interacțiunii slabe [19] .

Poate că cele mai interesante linii de cercetare sunt cele care vizează direct identificarea de noi modele fizice. Una dintre aceste teorii este supersimetria , o teorie populară, deoarece ar putea rezolva o serie de probleme teoretice de fizică și este prezentă în aproape toate modelele de teoria șirurilor . Modelele supersimetrice implică noi particule de mare masă; în multe cazuri, acestea se descompun în quarks cu energie ridicată și în alte particule masive care interacționează slab cu materia obișnuită. Particulele stabile ar fugi de detector, lăsând în urmă unul sau mai multe jeturi de particule și o valoare ridicată a impulsului lipsă . Alte particule ipotetice masive, precum cele descrise de teoria Kaluza-Klein , ar putea lăsa, de asemenea, aceleași urme, dar descoperirea lor ar indica cu siguranță un model fizic dincolo de modelul standard.

O posibilitate la distanță (dacă universul ar conține dimensiuni suplimentare ) este că LHC ar putea produce găuri negre microscopice . Acestea se vor descompune imediat, în aproximativ în al doilea rând, datorită radiației Hawking , producând toate particulele modelului standard în număr egal și lăsând o urmă inconfundabilă în detectorul ATLAS [20] .

Notă

  1. ^ Despre ATLAS Experiment , în ATLAS Experiment la CERN , 26 martie 2015. Accesat la 24 februarie 2018 (arhivat din original la 21 februarie 2018) .
  2. ^ Primele coliziuni în ATLAS , în ATLAS Experiment la CERN , 23 noiembrie 2009. Accesat la 24 februarie 2018 .
  3. ^ Giants hunt , pe asimmetrie.it . Adus de 23 septembrie 2017.
  4. ^ The Collaboration , în ATLAS Experiment la CERN , 26 martie 2015. Accesat la 23 septembrie 2017 .
  5. ^ Înregistrări de colaborare ATLAS , pe Arhiva CERN . Adus la 25 februarie 2007 (arhivat din original la 1 ianuarie 2007) .
  6. ^ ATLAS | CERN , pe home.cern . Adus la 16 august 2016 .
  7. ^ Colaborare ATLAS, Montage of ATLAS in three minutes (ATLAS Bulit in Three Minutes) , 24 septembrie 2009. Adus 16 august 2016 .
  8. ^ Primul fascicul și primele evenimente în ATLAS , pe atlas.cern , 10 septembrie 2008. Adus 16 august 2016 .
  9. ^ Experimentul ATLAS își raportează primele rezultate de fizică din LHC , pe atlas.cern , 17 martie 2010. Accesat la 16 august 2016 .
  10. ^ a b LHC 2012 Run to 8 TeV Has Started , atlas.cern , 5 aprilie 2012. Adus 16 august 2016 .
  11. ^ ATLAS finalizează primul an la 13 TeV , pe atlas.cern , 16 decembrie 2015. Adus 16 august 2016 .
  12. ^ ATLAS și CMS publică observații ale unei noi particule | CERN , pe home.cern . Adus la 16 august 2016 .
  13. ^ ATLAS verifică în continuare relația de cuplare / masă a modelului standard al bosonului Higgs , pe atlas.cern , 27 martie 2015. Adus 16 august 2016 .
  14. ^ Conceptul general de detector , în Propunerea tehnică ATLAS , 1994.
  15. ^ Introducere și prezentare generală , în Propunerea tehnică ATLAS , 1994.
  16. ^ (EN) Observarea unei noi particule în căutarea bosonului model standard Higgs cu detectorul ATLAS la LHC , în Physics Letters B, vol. 716, nr. 1, 17 septembrie 2012, pp. 1-29, DOI : 10.1016 / j.physletb.2012.08.020 . Adus pe 24 februarie 2018 .
  17. ^ (EN) Adam Barton and the Atlas Collaboration, CP violation at ATLAS , in Journal of Physics: Conference Series, vol. 447, nr. 1, 2013, p. 012025, DOI : 10.1088 / 1742-6596 / 447/1/012025 . Adus pe 24 februarie 2018 .
  18. ^ Vânătoare de asimetrii , pe asimmetrie.it .
  19. ^ varaschin, DE LA ATLAS CEL MAI MĂSURĂ PRECISĂ LA LHC A BOSONE W, DESCOPERITĂ DE RUBBIA , pe home.infn.it. Adus pe 24 februarie 2018 .
  20. ^ (EN) Dimensiuni suplimentare, gravitonii și mici găuri negre , pe home.cern. Adus pe 24 februarie 2018 .

Alte proiecte

linkuri externe


Fizică Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Esperimento_ATLAS&oldid=121928857 ”