ATLAS (koelaitteisto)

Taustaa

Idea ATLAS -kokeesta syntyi vuonna 1992, jolloin suunnitelmat EAGLE- ja ASCOT -ilmaisimista yhdistettiin ja päätettiin rakentaa yhteinen ilmaisin LHC:hen. ATLAS -kokeilua ehdotettiin sen nykyisessä muodossa vuonna 1994 ja se sai virallista rahoitusta CERN:iltä vuoden 1995 alussa. Uusia maita, yliopistoja ja laboratorioita liittyi mukaan kokeiluun seuraavina vuosina. LHC:n ja Atlaksen käynnistyi virallisesti 10. syyskuuta 2008.

Tutkimuskohteet

Kokeilun tarkoituksena on tutkia ilmiöitä, joihin liittyy hyvin massiivisia hiukkasia, jotka eivät olleet havaittavissa aiemmilla vähäenergiaisemmillä hiukkaskiihdyttimillä. Tähän mennessä kaikki löydetyt hiukkaset on pystytty ennustamaan etukäteen standardimallin avulla.
LHC:ssä kaksi hiukkassuihkua tulevat törmäämään noin 7 TeV energialla, mikä on noin 10 kertaa enemmän kuin mihin ennen LHC:tä pystyttiin. Atlaksen tehtävänä on havainnoida näitä törmäyksiä. Atlaksen on pystyttävä muun muassa mittaamaan hiukkasten suunta, liikemäärä ja varautuneen hiukkasen merkki, mittaamaan elektronien, fotonien ja hadronien energia sekä tunnistamaan jo tunnetut tai vielä tuntemattomat hiukkaset.
Yksi Atlaksen tärkeimmistä tehtävistä on tutkia standardimallin tämänhetkisiä ongelmia kuten Higgsin bosonia, joka ilmeisesti antaa hiukkasille niiden massan. Jos Higgsin bosonia ei löydetä Atlaksella voidaan olettaa, että Higgsin mekanismi ei toimi, vaan on olemassa jokin toinen ilmiö, joka selittää hiukkasten massan. Atlaksella tutkitaan myös uusia fysiikan teorioita kuten supersymmetriateoriaa ja supersäieteoriaa.

Osat ja toiminta

ATLAS-havaitsimen kanavan, jossa LHC:n lähettämät protonisuihkut törmäävät, ympärillä on toisiaan yhä suurempia sylintereitä. Ne voidaan jakaa neljään pääosaan: sisäinen havaitsin (Inner detector), kalorimetrit, myoni spektrometri (muon spectrometer) ja magneettijärjestelmä. Jokainen näistä koostuu monista kerroksista. Sisäinen havaitsin jäljittää hiukkasia tarkasti, kalorimetrit mittaavat helposti pysähtyvien hiukkasten energioita ja myonijärjestelmä tekee ylimääräisiä mittauksia erittäin läpitunkevista myoneista. Kaksi magneettikenttää taivuttavat varautuneet hiukkaset sisäiseen havaitsimeen ja myonispektrometriin, minkä johdosta niiden liikemärän voi mitata.
Ainoat vakaat hiukkaset joita ei voi suoraan havaita ovat neutriinot. Niiden läsnäolo on päätelty huomaamalla liikemäärän epätasapaino havaittujen hiukkasten kesken. Jotta tämä toimisi, havaitsimen pitää olla ilmatiivis ja havaita kaikki muut hiukkaset ilman katvealueita.

Sisäinen havaitsin

Sisäinen havaitsin mittaa suunnan, liikemäärän ja sähköisesti varautuneiden hiukkasten etumerkin jokaisessa protoni-protoni törmäyksessä. Se sisältää kolme erilaista järjestelmää sensoreita upotettuina magneettikenttään samansuuntaisesti sädeakseliin nähden.
Sisäinen havaitsin alkaa muutaman senttimetrin päästä protonisäteen akselista, laajenee 1,2 metrin säteelle, ja on seitsemän metriä pitkä sädepiippu mukaan lukien. Sen perustehtävä on jäljittää hiukkasia havaitsemalla niiden vuorovaikutuksen irrallisten pisteiden materiaalin kanssa, paljastaen yksityiskohtaista tietoa hiukkasen tyypistä ja sen liikemäärästä. Magneettikenttä, joka ympäröi sisempää havaitsijaa saa varautuneet hiukkaset kaartumaan. Kaartumisen suunta paljastaa hiukkasen varauksen ja kaartumisen kulma sen liikemäärän. Jäljen alkupiste antaa hyödyllistä tietoa hiukkasten tunnistamiseen; esimerkiksi, jos ryhmä jälkiä näyttää olevan lähtöisin eri pisteestä kuin alkuperäinen protoni - protoni törmäys, se saattaa olla merkki siitä, että hiukkaset tulivat pohja (bottom)-kvarkin luhistumisesta. Sisemmässä havaitsijassa on kolme osaa, jotka on selitetty alapuolella.

Pikselihavaitsija

Sisin osa sisäisestä havaitsimesta, sisältää kolme kerrosta ja yhteensä 1744 moduulia. Havainnoitsija-aine on 250 nanometriä paksua piitä. Jokainen moduuli sisältää 16 lukemasirua ja muita elektronisia komponentteja. Pienin yksikkö, josta voidaan saada lukema, on pikseli. Yhdessä moduulissa on karkeasti ottaen 47000 pikseliä. Pikselihavaitsijassa on kaikkiaan 80 miljoonaa lukemakanavaa, joka on n. 50% kaikista lukemakanavista. Pikselihavaitsija altistuu törmäyskohdan läheisyydessä suurille säteilymäärille, joten jokaisen komponentin täytyy olla säteilysuojattu.

Puolijohdinten jäljittäjä (STC)

Keskimmäinen osa sisempää havaitsinta. Sen käyttötarkoitus ja rakenne on samanlainen kuin pikselihavaitsijalla, mutta pitkillä, kapeilla liuskoilla pikemminkin kuin pienillä pikseleillä, peittäen käytännössä suuremman alan. STC on kriittisin osa sisemmästä havaitsimesta, koska se mittaa hiukkasia paljon suuremmalla alalla kuin pikselihavaitsin, useammilla näytepisteillä karkeasti yhtenäisellä (vaikkakin yksiulotteisella) tarkkuudella. Se on koottu neljästä kaksinkertaisesta tasosta piiliuskoja ja sen pinta-ala on kaikkiaan 61 neliömetriä.

Siirtymäsäteilyn jäljittäjä (TRT)

Uloin komponentti sisimmästä havaitsijasta. Se rakennettiin Yhdysvalloissa ja noin puolet moduuleista tulee Indianan Yliopistosta. Se sisältää monta pientä putkia, joiden halkaisija on neljä millimetriä ja jotka ovat 144 cm pitkiä. Tämä antaa paljon karkeamman tuloksen kuin kaksi muuta havaitsijaa, tarpeellinen uhraus suuren alueen peittämisen ja erilaisen, täydentävän mallin takia. Jokainen putki on täytetty kaasulla, joka ionisoituu kun varautunut hiukkanen kulkee sen läpi. Ionit tuottavat tarkan korkeajännitteisten johdon, joka kulkee putken läpi, luoden sarjan signaaleja monissa putkissa, minkä ansiosta hiukkasen reitti voidaan mitata. Se sisältää myös vaihtelevia materiaaleja hyvin erilaisilla taitekertoimilla, jotka saavat varautuneet hiukka﻿varautuneet hiukkaset lähettämään siirtymäsäteilyä ja jättämään paljon vahvempia signaaleja jokaisessa putkessa. Koska syntyvän siirtymäsäteilyn määrä on suurin korkeasti suhteellisilla hiukkasilla (ne, joiden nopeus on lähellä valon nopeutta), ja tarkan energian hiukkaset ovat sitä nopeampia mitä kevyempiä ne ovat, hiukkasreitit joilla on monta hyvin vahvaa signaalia voidaan tunnistaa kuten ﻿kevyimmät varaukselliset hiukkaset, elektronit.

Kalorimetrit

Kalorimetrit on sijoitettu solenoidin magneetin ulkopuolelle, joka ympäröi sisäistä havaitsinta. Niiden tarkoitus on mitata hiukkasen energiaa absorboimalla hiukkanen. On kaksi perus kalorimetrijärjestelmää: sisempi elektromagneettinen kalorimetri ja ulompi hadroninen kalorimetri. Kummatkin ovat näytteitä ottavia kalorimetreja eli molemmat absorboivat energiaa.

Elektromagneettinen- (EM)

Elektromagneettinen kalorimetri absorboi energiaa hiukkasista, jotka vuorovaikuttavat elektromagneettisesti (hiukkaset ja fotonit). Energiaa imevä pinta on lyijyä ja ruostumatonta terästä. Nestemäistä argonia käytetään näytteenottoaineena ja kryostaattia vaaditaan EM-kalorimetrin ympärille pitämään sitä riittävän kylmänä.

Hadronikalorimetri

Hadronikalorimetri absorboi energian hiukkasista, jotka läpäisevät EM-kalorimetrin. Nämä hiukkaset ovat pääosin hadroneita. Energiaa absorboiva aine on teräs.

Magneettijärjestelmä

Lähes 100 000 kertaa maan magneettikenttää suurempi magneettikenttä, saadaan aikaan suurella sähkövirralla ontossa lieriön muotoisessa käämissä. Tämä sädeakselin suunteinen kenttä kääntää jokaisen hiukkasen, joka tulee törmäyspisteestä. Jos hiukkanen kääntyy kohtisuoraan säteeseen, se jatkaa kohtisuoraan ja kiertää ympyrää, minkä halkaisija on verrannollinen hiukkasen liike-energiaan. Hyvin hitaan hiukkasen tie voi ”käpertyä kokoon” havaitsijan läheisyydessä, kun taas ne jotka ovat hyvin nopeita ja joilla on iso halkaisija voivat päästä koko havaitsijan läpi.
Pyörimisen suunta magneettikentässä (myötä- tai vastapäivään) kertoo hiukkasen varauksen etumerkin. Jos hiukkanen ei kulje kohtisuorassa sädettä vastaan kenttä muuttaa sen radan soikioksi, jonka suuruus on verrannollinen liikemäärään.
Ulompi magneettikenttä on sijoitettu kalorimetrien ulkopuolelle myonihavaitsimen luo. Tämä magneettikenttä on 26 metriä pitkä ja 20 metriä halkaisijaltaan ja se voi varastoida jopa 1,2 gigajoulea energiaa.

Myonispektrometri

Myonit ovat ainoita hiukkasia, jotka pystyvät kulkemaan kaikkien kalorimetrien läpi ja saavuttamaan uloimmat kuoret. Myonijärjestelmä mittaa tarkemmin myoneiden liikemäärän ja varauksen etumerkin kuin sisemmät jäljittimet.