ATLAS

ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) — один из четырёх основных детекторов Большого адронного коллайдера (БАК), расположенный в ЦЕРНе (Европейская организация по ядерным исследованиям) на границе Швейцарии и Франции. Это крупнейший по размерам и массе многоцелевой детектор частиц, предназначенный для регистрации и анализа продуктов столкновений протонов и тяжёлых ионов при сверхвысоких энергиях. ATLAS спроектирован для проверки предсказаний Стандартной модели физики элементарных частиц, поиска новых частиц, таких как бозон Хиггса, а также для исследования явлений за пределами Стандартной модели, включая суперсимметрию и тёмную материю.

История создания

Проект ATLAS был разработан в начале 1990-х годов в рамках подготовки к запуску Большого адронного коллайдера. В 1994 году коллаборация ATLAS, объединяющая десятки научных институтов и университетов со всего мира, представила техническое предложение по созданию детектора. Строительство началось в 1998 году и продолжалось около десяти лет. Монтаж компонентов детектора в подземной шахте на глубине около 100 метров завершился в 2008 году, незадолго до первого запуска БАК. Россия, представленная Институтом ядерной физики СО РАН, Объединённым институтом ядерных исследований (Дубна) и другими научными центрами, принимала активное участие в разработке и изготовлении ряда ключевых компонентов ATLAS.

Первый сеанс работы коллайдера (2009—2013) привёл к историческому открытию бозона Хиггса в 2012 году, в котором ATLAS сыграл решающую роль наряду с детектором CMS. После двухлетней модернизации (Long Shutdown 1) детектор работал в 2015—2018 годах (Run 2), а затем прошёл вторую модернизацию (Long Shutdown 2, 2018—2022). В настоящее время ATLAS функционирует в рамках Run 3 (2022—2025), после чего запланирована масштабная модернизация для работы на коллайдере высокой светимости (HL-LHC).

Устройство и конструкция

ATLAS представляет собой цилиндрический детектор длиной 46 метров и диаметром 25 метров, общей массой около 7000 тонн. Конструкция состоит из нескольких концентрических слоёв, каждый из которых выполняет специфическую задачу по измерению различных свойств частиц.

Внутренний трекер (Inner Detector)

Внутренний трекер расположен ближе всего к точке столкновения пучков. Он состоит из трёх подсистем: пиксельного детектора, полупроводникового трекера (SCT) и переходного излучателя (TRT). Трекер регистрирует траектории заряженных частиц в магнитном поле соленоида, позволяя измерять их импульс и определять вершину взаимодействия. Разрешение трекера составляет порядка 10—20 микрон.

Соленоид

Сверхпроводящий соленоид создаёт магнитное поле напряжённостью 2 Тесла внутри внутреннего трекера, искривляя траектории заряженных частиц для измерения их импульса. Соленоид изготовлен из ниобий-титановых кабелей и охлаждается жидким гелием до температуры 4,5 Кельвина.

Калориметры

Калориметры измеряют энергию частиц, поглощая их. ATLAS оснащён двумя типами калориметров:

• Электромагнитный калориметр (LAr) — жидкоаргоновый калориметр, регистрирующий электроны и фотоны. Состоит из свинцовых пластин, разделённых жидким аргоном.
• Адронный калориметр (TileCal) — сцинтилляционный калориметр на основе стальных пластин и пластиковых сцинтилляторов, измеряющий энергию адронов (протонов, нейтронов, пионов). Дополнительно используются передние калориметры (FCal) для регистрации частиц под малыми углами.

Мюонный спектрометр

Внешний слой ATLAS — мюонный спектрометр, предназначенный для регистрации мюонов, которые проходят через все внутренние слои без значительного поглощения. Он состоит из четырёх типов детекторов: мониторных дрейфовых трубок (MDT), катодных стриповых камер (CSC), резистивных плоских камер (RPC) и тонких камер (TGC). Магнитное поле в мюонном спектрометре создаётся тороидальными магнитами, обеспечивающими поле до 4 Тесла.

Триггерная система и система сбора данных

ATLAS генерирует около 40 миллионов столкновений в секунду, что невозможно обработать в реальном времени. Для отбора наиболее интересных событий используется многоуровневая триггерная система. Первый уровень (L1) аппаратно отбирает события за 2,5 микросекунды, сокращая поток до 100 000 событий в секунду. Второй уровень (HLT — High-Level Trigger) использует программную обработку для дальнейшего сокращения до 1000—2000 событий в секунду, которые записываются для последующего анализа.

Научные задачи

ATLAS решает широкий круг задач в физике высоких энергий:

Открытие и изучение бозона Хиггса

Основной целью ATLAS было обнаружение бозона Хиггса — частицы, ответственной за механизм нарушения электрослабой симметрии и массу элементарных частиц. В 2012 году ATLAS и CMS независимо зафиксировали бозон Хиггса с массой около 125 ГэВ/c². После открытия ATLAS измеряет свойства бозона: его спин, чётность, ширину распада и константы связи с другими частицами, проверяя соответствие предсказаниям Стандартной модели.

Поиск новой физики

ATLAS ищет отклонения от Стандартной модели, которые могут указывать на суперсимметричные частицы, дополнительные измерения, тёмную материю или новые калибровочные бозоны. По состоянию на 2025 год никаких достоверных свидетельств новой физики не обнаружено, что накладывает ограничения на многие теоретические модели.

Изучение топ-кварка и электрослабых взаимодействий

Детектор исследует свойства топ-кварка — самой тяжёлой из известных элементарных частиц (масса около 173 ГэВ/c²), а также процессы электрослабого взаимодействия, включая производство W- и Z-бозонов.

Физика тяжёлых ионов

В режиме столкновений ядер свинца ATLAS изучает кварк-глюонную плазму — состояние материи при экстремальных температурах и плотностях, существовавшее в первые мгновения после Большого взрыва.

Коллаборация и управление

ATLAS — крупнейшая коллаборация в истории физики, объединяющая более 3000 учёных и инженеров из 40 стран и 180 научных учреждений. Управление осуществляется через совет коллаборации, избирающий руководящие органы. Решения о публикации результатов принимаются коллегиально, данные находятся в открытом доступе после периода эксклюзивности для коллаборации.

Модернизация и перспективы

С 2026 года запланирована модернизация ATLAS для работы на коллайдере высокой светимости (HL-LHC), который будет обеспечивать в 5—7 раз большую светимость. Модернизация включает замену внутреннего трекера на полностью кремниевый детектор, обновление триггерной системы и калориметров, а также установку новых мюонных камер. Это позволит ATLAS регистрировать до 200 столкновений на одно пересечение пучков и исследовать редкие процессы, недоступные при текущих параметрах.

Критика и ограничения

Работа ATLAS сопряжена с рядом технических и организационных вызовов. Высокая стоимость эксплуатации и модернизации (миллиарды долларов за весь срок службы) вызывает критику со стороны некоторых учёных, считающих, что средства можно направить на другие направления физики. Кроме того, отсутствие обнаружения новой физики после открытия бозона Хиггса привело к разочарованию части сообщества, ожидавшей прорывных результатов. Тем не менее, ATLAS остаётся одним из самых мощных инструментов экспериментальной физики, предоставляя данные для проверки фундаментальных теорий.

Интересные факты

• ATLAS — самый большой по объёму детектор частиц в мире: его внутренний объём сопоставим с половиной собора Нотр-Дам в Париже.
• В 2012 году ATLAS и CMS совместно объявили об открытии бозона Хиггса, что привело к присуждению Нобелевской премии по физике 2013 года Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру.
• Детектор использует более 100 миллионов каналов считывания данных, а общий объём данных, накопленных за годы работы, превышает 200 петабайт.
• В монтаже и настройке ATLAS принимали участие учёные из России, в том числе из Института ядерной физики СО РАН и Объединённого института ядерных исследований (Дубна).

Источники

• The ATLAS Collaboration, "The ATLAS Experiment at the CERN Large Hadron Collider", Journal of Instrumentation, 2008.
• CERN, "ATLAS Fact Sheet", 2023.
• Объединённый институт ядерных исследований, "Участие ОИЯИ в эксперименте ATLAS", 2022.
• P. Higgs, "Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons", Physical Review Letters, 1964.
• L. Evans, P. Bryant, "LHC Machine", Journal of Instrumentation, 2008.