超環面儀器

超環面儀器（A Toroidal LHC ApparatuS, ATLAS），是歐洲核子研究組織（CERN）的大型強子對撞器（LHC）所配備的七大實驗探測器之一。此實驗專門為觀測涉及高質量粒子的現象而精心設計建造；使用先前較低能量的粒子加速器無法觀測到這些現象。物理學者希望此實驗能為在標準模型之後關於粒子物理學的新理論找到一些線索。

超環面儀器的長度為 44m，直徑為 25m，總重量為 7000ton，內部連線的電線長達 3000km。大約有來自 38 個國家 174 個學術機構的 3000 位科學家和工程師共同參與這實驗計畫。最初 15 年，團隊領導為，從 2009 年至 2013 年，法比奧拉・吉亞諾提是第二任領導人，從 2013 年開始，團隊領導為。2012 年 7 月 4 日，CERN 宣佈，緊湊渺子線圈（CMS）探測到質量為 125.3±0.6GeV 的新玻色子（超過背景期望值 4.9 個標準差），超環面儀器測量到質量為 126.5GeV 的新玻色子（5 個標準差），這兩種粒子極像希格斯玻色子。後來確認就是希格斯玻色子。

歷史

1992 年，先前提出的 EAGLE（Experiment for Accurate Gamma, Lepton and Energy Measurements，精確光子輕子能量測量實驗）計畫與 ASCOT（Apparatus with Super COnducting Toroids，超導環場儀器）計畫合併為 ATLAS 實驗計畫，意圖為大型強子對撞機建造一個多用途粒子探測器。此探測器還整合了早先為超導超大型加速器所做的探測器研發成果。ATLAS 實驗的最終計畫於 1994 年提出，並在 1996 年由 CERN 的參與國家正式提供資金。很多大學與國家型實驗室也在之後幾年陸續加入。至今，仍有許多研究機構與物理學者新參與此計畫。探測器元件是由各個研究機構分別研發製造，於 2003 年，這些元件開始被運送至 CERN 的 ATLAS 實驗所在地進行組裝。

2008 年 ATLAS 實驗設施安裝完畢。同年 9 月 10 日，ATLAS 實驗第一次探測到粒子束事件。9 天後，在暖機過程時，發生磁體失超事件，使得收集資料的工作延遲了 1 年多。修理耗費了幾個月時間，電路缺陷探測系統與快速失超控制系統的功能也被大幅度提升。2009 年 11 月 20 日，LHC 重新注入粒子束。23 日，LHC 的兩道粒子束同時沿著圓形軌道迴圈，ATLAS 探測器首先收集到質子質子碰撞資料，能量為 450GeV 每粒子束。之後，ATLAS 探測器持續不斷的收集資料。在這期間，LHC 能量也不停增加，到 2009 年底，已達 1,180GeV 每粒子束，整個 2010 年與 2011 年，能量為 3,500GeV 每粒子束，2012 年，又提升到 4,000GeV 每粒子束。之後關閉了兩年，在 2015 年，更提升到 6,500 GeV 每粒子束。

2019 年 7 月 31 日，大型強子對撞機的超環面儀器實驗團隊宣佈找到光子與光子散射的確切證據，超過背景期望值 8.2 個標準差。

背景

歷史上第一臺迴旋加速器是由歐內斯特・勞倫斯於 1931 年研製。這臺迴旋加速器的半徑只有幾釐米，只能製成大約 1MeV 能量的粒子。從那時起，為了製成更大能量粒子，加速器技術進步飛速。隨著加速器的不斷升級，它們研究的已知粒子的列表也變得越來越長。目前描述粒子相互作用最為完整的模型稱為標準模型。所有標準模型預測的粒子都已經從實驗中證實存在。

儘管標準模型預言了夸克、電子以及中微子的存在，它並沒有解釋不同粒子間的質量為何有如此大的差別。根據這一違反 “規律” 的事實，許多粒子物理學家相信標準模型在能量超過一定界限（約 1 TeV）時，標準模型可能會失效。假若觀測到這種超越標準模型的物理行為，物理學者希望找到一種嶄新模型，能夠複製標準模型已得到的結果，又能夠描述更高能量的粒子物理行為。目前大多數已經提出的理論預言了新的高質量粒子，其中有一些粒子的質量較低，可以透過超環面儀器觀察。

超環面儀器是個多用途粒子探測器。當大型強子對撞機製成的質子束在探測器的中心點進行散射實驗時，很多各種各樣具有不同能量的粒子會被生成。超環面儀器並不專注於某特定物理過程，它的設計目標是廣泛地探測各種可能發生的訊號。這樣可以保證，不論新物理過程或任何新粒子的形式為何，超環面儀器都都夠探測到它們的出現，並且測量出它們的物理性質。在此之前的對撞機實驗，例如美國費米實驗室的兆電子伏特加速器以及 LHC 的前身──大型電子正子對撞機，都是基於相同的設計理念。但是大型強子對撞機所面對的獨特挑戰──前所未有的高能量以及極高的對撞頻率──要求超環面儀器比先前所建成的探測器更為龐大與複雜。

周長 27 公里的大型強子對撞機會讓兩束質子發生對撞，每個質子具有 7 TeV 的能量，這能量足以製成具有目前已知粒子十倍質量的粒子（假想這樣的粒子存在）。大型強子對撞機產生的能量是最早第一臺粒子加速器的 7 百萬倍，因此它是新一代粒子加速器的典型代表。

粒子加速器製成的高能量粒子必須透過粒子探測器觀察。雖然質子撞擊時會發生有趣的現象，僅僅產生這樣的現象是不夠的。粒子探測器必需能夠探測這些粒子，測量它們的質量、動量、能量、帶電量和自旋。為了辨識粒子束撞擊在相互作用點所製成的每一個粒子，粒子探測器通常必須設計成類似洋蔥的構造。不同型別的探測器組成了不同的檢測層，每一種探測器都專精於檢測某特定種類的粒子。粒子在不同檢測層留下的資訊可以用來確認粒子的身份，並精確測量其能量和動量。探測器內每一檢測層的角色稍後會詳細研討。當加速器產生的粒子的能量增加，相應的探測器的量程必須以相當的尺度增長，從而測量更高能量的粒子。截止於 2008 年，ATLAS 是已經建成的最大的粒子探測器。

物理計劃

ATLAS 計劃探究許多可能會在 LHC 的高能碰撞裡被探測到的物理現象，其中有一些是對標準模型的證實或測量精度的加強，而其它可能是新物理理論的重要線索。

ATLAS 最主要的實驗目標之一是發現標準模型的一個之前尚未證實的粒子 —— 希格斯玻色子。在標準模型裡，電弱對稱性破缺促使規範向量場獲得質量，但又額外生成了多餘的零質量。選擇適當的規範，可以除去這零質量戈德斯通玻色子，只存留帶質量純量場（希格斯玻色子）與帶質量規範向量場（W 及 Z 玻色子）。這整個稱為希格斯機制的過程可以解釋為什麼負責傳遞弱相互作用的 W 及 Z 玻色子具有質量，而負責傳遞電磁相互作用的光子不具有質量。由於實驗證實希格斯玻色子存在，希格斯機制獲得極大的肯定，特別是對於為什麼某些基本粒子具有質量這問題的解釋，也可以確定標準模型基本無誤。

從希格斯玻色子的衰變產物的形式，可以探測到希格斯玻色子的存在。最容易觀測到的的是 2 個光子、2 個底夸克或 4 個輕子。有時，只能從這些衰變與其他額外的粒子的相聯作用，才能夠確切識別為源於希格斯玻色子。這樣的例子可以參見右邊的費曼圖。

有些理論不需要希格斯玻色子的存在。這些理論稱為，例如。

將物質與反物質的物理行為做比較，所觀測到的不對稱性被稱作 CP 破壞，這題目也包括在 ATLAS 的研究範圍內。目前關於 CP 破壞的實驗，例如 BaBar 實驗和 Belle 實驗，還沒能夠在標準模型裡蒐集到足夠的 CP 破壞證據來解釋宇宙中缺少反物質的原因。新的物理模型很可能會引入額外的 CP 破壞，從而為這個問題帶來新線索。這些模型可以從新粒子的生成而直接被證實，或者透過測量 B - 介子的屬性而間接被證實。LHCb 是 LHC 的一個子實驗，其目標是探究 B - 介子，所以比較適合後面那種間接探索的方法。

頂夸克於 1995 年在費米國立加速器實驗室被發現，但至今為止，對於這種粒子的屬性，只做了一些較為粗略地測量。LHC 能提供更高的能量和粒子碰撞率，從而製成大量的頂夸克，使得 ATLAS 能夠對該粒子進行更加精確的測量，並探究頂夸克與其他粒子間的相互作用。這些測量可以為標準模型的細節提供間接的資訊，或許會揭露它與新物理現象之間的不一致。ATLAS 也會對其他粒子進行類似的精確測量。例如，ATLAS 最終可能會測定 W 玻色子的質量，精確度有望達到先前的兩倍。

直接尋找一種新的物理模型可能是 ATLAS 中最激動人心的部分。目前很多研究的主題是理論。此理論十分流行，因為它有可能解決理論物理學中一系列問題，在幾乎所有弦理論裡都會遇到它。超對稱模型涉及新的、極大質量的粒子。在許多情況裡，這些粒子衰變成高能夸克和穩定的高質量粒子（這些粒子不太可能與一般物質發生相互作用）。這些穩定粒子會從探測器中逃逸，留下一個或多個高能的跡象，以及大量。其它一些假想的重粒子，例如卡魯扎 - 克萊因理論中的那些粒子，可能會留下相似的跡象，但是這些例子的發現肯定指出，超越標準模型之外，必定有某種不同的物理理論。

還有一個微乎其微的可能（假若宇宙具有大尺寸的額外維度）是 LHC 製造出微觀黑洞。它們會透過霍金輻射立即衰變，以相同的數量生成標準模型中所有的粒子，並在 ATLAS 探測器中留下一個無可否認的跡象。實際而言，如果這現象發生，則關於希格斯玻色子以及頂夸克的研究將會從黑洞生成的這些粒子展開。

裝置

ATLAS 探測器是由以相互作用點為中心的一系列同中心軸圓柱殼型裝置和其兩端的圓盤型裝置所組成，主要分為四個部分：內部探測器、量能器、緲子探測器和磁鐵系統。其中每一個部分又細分為好幾層。各個探測器的功能相輔相成：內部探測器精確地確定粒子的軌跡，量能器測量那些被截止粒子的能量，緲子系統則提供高度穿透性緲子的額外測量資料。磁鐵系統所產生的磁場促使帶電粒子在移動於內部探測器時發生偏轉，緲子譜儀可以從偏轉的曲率測得這些粒子的動量。

中微子是唯一不能直接被探測到的已知穩定粒子；從仔細分析被探測到的粒子的動量不平衡現象，可以推斷出中微子的存在。為了實現上述目標，探測器必須是，並必須探測到所有除了中微子以外的粒子，避免存在有任何探測盲點。保持探測器在質子束附近的高輻射區具有良好效能，這是工程學的一個極大挑戰。

4.1 內部探測器

內部探測器的內圓柱面始於距離質子束軸幾釐米的位置，而外圓柱面則向外延伸至 1.2m 半徑，在質子束軸方向總長度為 7m。透過探測散射出的帶電粒子與在各個不同位置的材料的相互作用，可以跟蹤這些粒子的運動，這是內部探測器的基本功能，所獲得的資料能夠揭示粒子的種類及其動量方面的細節資訊。由於內部探測器沉浸於 2Tesla 磁場，移動於其空間的帶電粒子會發生偏轉，其方向顯示了帶電粒子的電性，其角度則顯示了粒子的動量大小。根據軌跡的起點可以給粒子身份確認提供有用的資訊。例如，假若一系列粒子軌跡的初始點不是質子與質子的碰撞點，這就標誌著這些粒子是源於底夸克的衰變。

內部探測器具有三個部分，下面將予以詳細說明。

4.1.1 畫素探測器

畫素探測器（Pixel Detector）是該探測器最裡面的部分，包含了三個筒形層，在兩端的端帽（end-cap）分別有三個圓盤。對於每個粒子軌跡可以給出三個精確位置。在這些筒形層與圓盤上面，總共裝有 1,744 個同樣的模組。每個模組可以測量 2cm×6cm 的面積，其探測材料是由厚度為 250μm 的矽構成。每個模組包含 16 個用於讀出資料的晶片和其他相關電子元件。探測的最小單位是 1 個畫素，尺寸為 50μm×400μm。每個模組含有 47,268 畫素，專門設計用來在相互作用點附近精確跟蹤粒子，又有 16 個內嵌的、用於讀出資料的晶片和其他相關電子元件。畫素探測器總共有超過 8 千萬個數據讀出通道，是讀出通道總數的一半，如此龐大的規模在設計和工程方面造成了巨大挑戰。除此之外，由於畫素探測器離相互作用點很近，會暴露於強烈輻射，這是另一個巨大挑戰。該探測器的每一個元件都必須進行強化，從而能夠抵抗核輻射，在接受大量輻射之後還能保持正常工作。為了降低輻射線的損害，溫度必需保持在 - 6°C 左右。

4.1.2 半導體跟蹤器

半導體跟蹤器（Semiconductor Tracker, SCT）是內部探測器的中間部分。它含有四個筒形層，在兩端的端帽分別含有九個圓盤。對於每個粒子軌跡它可以給出至少四個精確位置；筒形層總共裝有 2,122 個相同模組，而圓盤總共裝有 1,976 個模組，大約分為三種不同型別。

半導體跟蹤器的概念和功能與畫素探測器相似，但是最小單位的形狀不是微小畫素，而是窄長細條。每個細條可以測量 80μm×12.6cm 的範圍，測量面積比較大，比較符合經濟效益。每個筒形層模組裝有兩層長方形矽感測器。每個感測器含有 768 個窄長細條，可以測量 62mm×124mm 的面積。圓盤模組裝有兩層楔子形矽感測器。每個感測器含有 768 個高窄梯形細條，高度有 6cm 或 12cm 兩種，窄度從 55μm 到 95μm。半導體跟蹤器總共具有 620 萬個讀出資料通道，總測量面積達到 61m2。

由於半導體跟蹤器測量粒子的範圍比畫素探測器更大，具有更多的取樣點，大致相等的（雖然是一維的）精確度，對於基本跟蹤散設粒子在垂直於粒子束的平面的運動，它是內部探測器的最關鍵儀器。

4.1.3 躍遷輻射跟蹤器

躍遷輻射跟蹤器（Transition Radiation Tracker, TRT）是內部探測器的最外面部分，是由麥管跟蹤器（straw tracker）和共同結合而成的儀器。躍遷輻射跟蹤器主要有兩個功能：第一是準確地跟蹤帶電粒子。第二是正確地辨識電子。

躍遷輻射跟蹤器的探測原件是（麥管），直徑為 4mm。長度有 144cm（筒形層部分）與 37cm（端帽部分）兩種麥管。躍遷輻射跟蹤器總共擁有 298,000 條麥管。每個粒子軌跡會穿過平均 35 條麥管。軌跡位置測量的不確定度大約是 200μm。雖然精確度不如前面所述的兩種探測器，但為了降低覆蓋大體積以及獲得躍遷輻射探測能力這兩種因素所帶來的高額成本，這較低的精確度是必要的犧牲。每一條麥管裡都充滿了氙氣體混合物，當帶電粒子經過時，氣體混合物會被離子化。麥管保持著電壓，迫使陰離子朝著位於麥管中心軸的細導線移動，從而產生電流脈衝（訊號）於鍍金的細鎢導線。分析這些出現脈衝訊號的導線所形成的圖案，就可以確定離子運動的軌跡。

在筒形層部分相鄰麥管之間的空間，填滿了聚丙烯纖維。在端帽部分，相鄰麥管層之間，安插了聚丙烯箔紙層。當運動速度接近光速的超相對論性帶電粒子透過不同折射率材料的介面時，會產生躍遷輻射光子。這主要是發生在聚丙烯材料與空氣的介面。通常，在躍遷輻射跟蹤器裡，由電子產生的光子會在麥管給出較高的能量（～8-10keV），而由 π 介子產生的光子會給出較低的能量（～2keV）。因此，設定適當的能量閾值（～6keV），從計算每個粒子由於躍遷輻射而給出光子能量超過閾值的次數，可以有效地辨識出這粒子是否為超相對論性電子。

4.2 量能器

載有電流的螺線管包圍在內部探測器的外面，而量能器又包圍在螺線管的外面。設定量能器的目的是透過吸收粒子來測量它們的能量。這裡有兩種基本的量能系統：靠裡的是「電磁量能器」，靠外的是「強子量能器」。二者都屬於「取樣式量能器」（sampling calorimeters）。在取樣式量能器裡，吸收粒子能量產生的材料與與測量簇射能量的材料不同，並且隔開在不同的區域。這樣，可以選擇最具指定功能的材料。例如，高密度金屬可以在有限空間吸收粒子能量產生大量的粒子簇射，但這物質不適用於測量粒子簇射所具有的能量。取樣式量能器的缺點是，有些能量沒有被測量到，因此，必須估計整體簇射能量。

電磁量能器（electromagnetic calorimeter）從涉及電磁作用的粒子中吸收能量，這包括了帶電粒子和光子。電磁量能器在測量能量吸收和能量分佈位置這兩個方面都具有很高的精確度。粒子軌道和探測器入射粒子束軸之間的角度（確切地講叫贗快度），以及其與垂直平面之間的夾角，測量的精確度都可以達到大約 0.025 弧度。用於吸收能量產生粒子簇射的材料是鉛，而取樣的材料則是液態氬。為了促使系統足夠冷卻，電磁量能器必須安裝在裡面。

那些能夠穿透電磁量能器，但會感受到強作用力的粒子（大多是強子），強子量能器（hadron calorimeter）會吸收它們的能量。強子量能器在測量能量吸收以及能量分佈位置（大約只能精確到 0.1 弧度）這兩個方面的精確度都稍低。用於吸收能量的材料是鋼，透過來採集能量資料。量能器的許多效能都綜合考慮到成本和效率（即費效，cost-effectiveness）。這套裝置的體積很大，使用了大量的建築材料。量能器的主要部分，即「閃爍磚片量能器」（scintillating tile calorimeter），內半徑為 2.28m，外半徑為 4.25m，在粒子束軸向覆蓋距離達 12m。

4.3 緲子譜儀

緲子譜儀（muon spectrometer）是一個體積極大的軌跡跟蹤系統，其筒型部分佔有空間從量能器外面，從半徑大約為 4.25m 處開始，一直延伸到超環面儀器最外層，即半徑大約為 11m 處，其端帽部分的最外層（受監控漂移管）與相互作用點之間的距離為 21m。緲子譜儀必需具備有巨大的體積，才能夠精確測量緲子的動量，這些緲子已經穿過了超環面儀器的其他裝置。這一步驟很重要，因為這些緲子的探測是一系列有趣物理過程的關鍵，假設在一個事件中有些緲子被忽略，則事件的總能量將不可能被精確地測量出來。

緲子譜儀和內部探測器的工作方式相似，可以透過被磁場偏轉的緲子軌跡來確定其動量；不過，對於這過程，緲子譜儀所使用的磁鐵構型有所不同，空間精確度相較更低，體積卻大得很多。

緲子譜儀也是個觸發器（trigger），能夠按照簡單準則快速地決定，哪些事件比較有價值，應該被記錄下來，哪些事件與實驗目標無關，應該被忽略。緲子譜儀具有單純識別緲子的功能。緲子譜儀大約擁有 1 百萬讀出通道，其各個探測器層總面積達到 12,000m2。

4.4 磁鐵系統

ATLAS 探測器的磁鐵系統細分為四個部分，在裡層的螺線管磁鐵、在外筒層的環狀磁鐵、在兩個端蓋環狀磁鐵。這個磁鐵系統的長度有 26 米、直徑有 20 米，共儲存了 1.6 千兆焦耳（gigajoule）的能量。

它會促使帶電粒子發生偏轉，從而讓其他儀器測定它們的動量。這運動偏轉是由於帶電粒子受到了洛倫茲力，這個力的大小與粒子的運動速度成正比。由於 LHC 的質子碰撞所產生的每個粒子都會以接近光速的速度運動，因此不同動量粒子所感受到的力大小相等。根據相對論，當粒子運動速度接近光速時，動量和速度並不成正比；高動量粒子會發生些微偏轉，而低動量粒子會發生顯著偏轉，透過測量軌跡可以定量曲率，從而確定粒子的動量。

載有電流的超導螺線管會在內部探測器的相互作用點區域產生相當均勻的 2 特斯拉軸向磁場，直到兩端區域才降低至 0.5 特斯拉軸向磁場。這軸向磁場大致與徑向距離無關。這強磁場使得即使高能量粒子也能夠發生足夠明顯的偏轉，從而可以確定它們的動量。這強磁場接近均勻的方向和強度使得測量結果非常精確。大約 400MeV 以下的粒子會強烈地偏轉，它們會在磁場中反覆迴旋，這樣它們將不會被測量到。然而，這能量級別與質子撞擊產生的幾 TeV 能量級別的粒子能量相比，卻非常小。

外筒層環狀磁鐵是由 8 個空心超導線圈組成，主要功能是為緲子系統產生大約 0.5 特斯拉環狀磁場。粒子的運動軌跡與環狀磁場之間呈大約直角關係。定義磁場的「彎曲本領」為；其中，是磁場垂直於粒子移動路徑的分量、是微小路徑元素、是粒子在探測區域裡的路徑。那麼，在探測區域裡，彎曲本領可以保持很高數值。這對於粒子的動量測量非常重要。

兩個端帽的環狀磁鐵也是由 8 個的空心磁芯超導線圈組成，主要功能是為緲子系統提供最佳彎曲本領的磁場，滿足這前提，在這區域的環狀磁場大約為 1 特斯拉。彎曲本領大約為 1-7.5Tm（特斯拉・米）。稍加比較，螺線管磁鐵可給出大約 1.5-5.5Tm 的彎曲本領。

4.5 前方的探測器

ATLAS 探測器的測量還會透過位於前方區域的一系列探測器補充。這些探測器被放置在 LHC 隧道中遠離相互作用點的位置。測量極小角度彈性散射（elastic scattering）的基本思路是為了瞭解 ATLAS 相互作用點的絕對光度。

資料處理分析系統

探測器會產生難以梳理的海量資料，大約每事件將會產生 25 兆位元組的資料，而每束交叉（beam crossing）有 23 個粒子事件，每秒又有 40,000,000 個束交叉在探測器的中央產生，因此總共會有 23 千兆位元組每秒（petabyte/s）的資料產生。觸發系統利用簡單資訊來進行即時識別那些有趣的事件，將它們的資訊保留下來以供詳細的分析。總共有三個觸發級別，其中一個是基於探測器電子，而另外兩個主要是基於探測器附近的大型計算機叢集。在第一級別的觸發，每秒有大約 100,000 個事件被篩選出。在第三級別的觸發中，大約幾百個事件還被保留，提供給後續分析。如此數量的資料要求向硬碟每秒寫入超過 100 兆位元組（MB）的資訊 —— 每年則至少累積到 1 千萬億位元組。

所有被永久儲存的事件將經歷離線事件重構（offline event reconstruction），將探測器得到的訊號規律轉換成物理物件，例如噴注（jets）、光子和輕子。事件重構過程將會大量應用網格計算技術，使得全球範圍不同大學和實驗室的計算機網路能夠並行處理高強度的中央處理器任務，大大減少適合用來進行物理分析的原始資料的數量。進行這些任務的軟體已經研發了許多年，當實驗開始進行以後，還將不斷更新。

參與該實驗合作的個人和團體可以利用他們自己輸入的程式程式碼對收集到的物件資料進行深入分析，在被探測粒子的規律中尋找某種物理模型或者假想的粒子。基於對粒子的細節模擬和它們與探測器的相互作用，相關的研究已經在進行和測試。這樣的模擬模擬給物理學家提供了一個良好的靈感，讓他們預測哪些新粒子會被發現，以及需要多久的時間來透過足夠的統計資料予以確認。

參閱

探尋希格斯玻色子時間軸