Эксперимент ATLAS на Большом адронном коллайдере¶

Эксперимент ATLAS — это одна из двух крупнейших многоцелевых детекторных установок Большого адронного коллайдера (БАК), расположенная в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) на границе Швейцарии и Франции. ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS, «Тороидальный аппарат LHC») предназначен для изучения протон-протонных и ядро-ядерных столкновений при сверхвысоких энергиях, поиска новых частиц и проверки Стандартной модели физики элементарных частиц, включая открытие бозона Хиггса.

¶История и статус

Проект ATLAS был утверждён в 1994 году как один из двух универсальных детекторов для БАК (второй — CMS). Строительство установки велось с 2003 по 2008 год при участии более 3000 учёных и инженеров из 180 институтов 40 стран. Сбор данных начался в 2010 году после первого запуска коллайдера. В 2012 году именно на данных ATLAS и CMS была экспериментально подтверждена частица, соответствующая бозону Хиггса, за что в 2013 году Франсуа Энглер и Питер Хиггс получили Нобелевскую премию по физике.

В 2019–2022 годах детектор прошёл модернизацию в рамках фазы повышения светимости БАК (HL-LHC), что позволило увеличить скорость набора данных в несколько раз.

¶Устройство детектора

ATLAS представляет собой цилиндрическую многослойную систему длиной 46 метров и диаметром 25 метров, массой около 7000 тонн. Конструкция включает четыре основных подсистемы:

• Внутренний трекер — кремниевые пиксельные и микрополосковые детекторы, а также переходное излучение, измеряющие траектории заряженных частиц в магнитном поле.
• Калориметры — электромагнитный (жидкий аргон со свинцовыми пластинами) и адронный (сцинтилляционные плиты со сталью) для измерения энергий электронов, фотонов и адронов.
• Мюонная система — большие дрейфовые камеры и катодные стриповые детекторы, работающие в тороидальном магнитном поле, для точного измерения импульса мюонов.
• Магнитная система — сверхпроводящие соленоид (2 Тл) и три больших тороида (до 4 Тл), обеспечивающие искривление траекторий частиц.

¶Научные задачи

Основные направления исследований ATLAS включают:

• Проверку Стандартной модели: точное измерение масс, сечений и констант связи известных частиц, включая топ-кварк, W- и Z-бозоны.
• Свойства бозона Хиггса: измерение его массы, спина, чётности и констант связи с фермионами и калибровочными бозонами.
• Поиск суперсимметрии — гипотетических партнёров известных частиц, предсказываемых рядом теорий за пределами Стандартной модели.
• Поиск тёмной материи: регистрация возможных слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP) по недостающему поперечному импульсу.
• Изучение асимметрии материи и антиматерии — исследование CP-нарушения в распадах B-мезонов.
• Физику тяжёлых ионов: изучение кварк-глюонной плазмы в столкновениях ядер свинца.

¶Ключевые результаты

За время работы ATLAS получены следующие значимые результаты:

• Открытие бозона Хиггса (2012) с массой около 125 ГэВ.
• Измерение массы топ-кварка с точностью до 0,5 % (172,5 ГэВ).
• Ограничения на массы суперсимметричных частиц (глюино, скварки) на уровне нескольких ТэВ.
• Наблюдение редких распадов Bs-мезона на два мюона (2014), подтвердившее предсказания Стандартной модели.
• Измерение параметров кварк-глюонной плазмы, включая коэффициент эллиптического потока.

¶Обработка данных

Детектор регистрирует около 40 миллионов столкновений в секунду, из которых триггерная система отбирает примерно 1000 наиболее интересных событий. Данные объёмом около 1 петабайта в год хранятся и обрабатываются на вычислительной инфраструктуре «Всемирного вычислительного грида LHC» (WLCG), объединяющей более 170 центров в 40 странах. Российские институты (НИЦ «Курчатовский институт», ОИЯИ, МГУ, НИЯУ МИФИ) участвуют в проекте как в разработке детекторных подсистем, так и в анализе данных.

¶Модернизация и перспективы

В рамках подготовки к HL-LHC (запуск в 2029 году) ATLAS проходит поэтапную модернизацию: заменяется внутренний трекер на полностью кремниевый, устанавливаются новые калориметрические и мюонные электроники, а также новый триггерный процессор на основе графических ускорителей. Ожидается, что после модернизации установка сможет набирать данные при светимости в 5–7 раз выше проектной, что позволит изучать редкие процессы, такие как рождение двух бозонов Хиггса.

¶Источники

• The ATLAS Collaboration. The ATLAS Experiment at the CERN Large Hadron Collider // Journal of Instrumentation, 2008.
• CERN. ATLAS Experiment public results (2024).
• Григорьев В. К. Физика частиц и детекторы. — М.: МИФИ, 2015.