超環面儀器

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。探測器組件是由各個研究機構分別研發製造，於2003年，這些組件開始被運送至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，使得收集數據的工作延遲了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循環，ATLAS探測器首先收集到質子質子碰撞數據，能量為450 GeV每粒子束。之後，ATLAS探測器持續不斷的收集數據。在這期間，LHC能量也不停增加，到2009年底，已達1,180 GeV每粒子束，整個2010年與2011年，能量為3,500 GeV每粒子束，2012年，又提升到4,000 GeV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布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

歷史上第一台回旋加速器是由歐尼斯特·勞倫斯於1931年研製。這台回旋加速器的半徑只有幾厘米，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。目前描述粒子交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、電子以及微中子的存在，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，可以通過超環面儀器觀察。
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信號。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台粒子加速器的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通過粒子探測器觀察。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交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。不同類型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的高能碰撞裏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。在標準模型裏，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戈德斯通玻色子。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交互作用的W及Z玻色子具有質量，而負責傳遞電磁交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。這些理論稱為無希格斯模型，例如彩色模型。
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裏蒐集到足夠的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，或者通過測量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交互作用。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超對稱破壞理論。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，在幾乎所有弦理論裏都會遇到它。超對稱模型涉及新的、極大質量的粒子。在許多情況裏，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交互作用）。這些穩定粒子會從探測器中逃逸，留下一個或多個高能夸克噴注的跡象，以及大量遺失動量。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。它們會通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。

設備

ATLAS探測器是由以交互作用點為中心的一系列同中心軸圓柱殼型設備和其兩端的圓盤型設備所組成，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數據。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。
微中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，可以推斷出微中子的存在。為了實現上述目標，探測器必須是密封探測器，並必須探測到所有除了微中子以外的粒子，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性能，這是工程學的一個極大挑戰。

內部探測器

內部探測器的內圓柱面始於距離質子束軸幾厘米的位置，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。通過探測散射出的帶電粒子與在各個不同位置的材料的交互作用，可以跟蹤這些粒子的運動，這是內部探測器的基本功能，所獲得的數據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。

像素探測器

像素探測器（Pixel Detector）是該探測器最裏面的部分，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個同樣的模塊。每個模塊可以測量2cm×6cm的面積，其探測材料是由厚度為250μm的矽構成。每個模塊包含16個用於讀出數據的晶片和其他相關電子元件。探測的最小單位是1個像素，尺寸為50μm×400μm。每個模塊含有47,268像素，專門設計用來在交互作用點附近精確跟蹤粒子，又有16個內嵌的、用於讀出數據的晶片和其他相關電子元件。像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，由於像素探測器離交互作用點很近，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。

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個相同模塊，而圓盤總共裝有1,976個模塊，大約分為三種不同類型。
半導體跟蹤器的概念和功能與像素探測器相似，但是最小單位的形狀不是微小像素，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。每個筒形層模塊裝有兩層長方形矽傳感器。每個傳感器含有768個窄長細條，可以測量62mm×124mm的面積。圓盤模塊裝有兩層楔子形矽傳感器。每個傳感器含有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620萬個讀出數據通道，總測量面積達到61m²。
由於半導體跟蹤器測量粒子的範圍比像素探測器更大，具有更多的採樣點，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。

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）和躍遷輻射探測器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漂移管（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。每一條麥管裏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-1500V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（信號）於鍍金的細鎢導線。分析這些出現脈衝信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通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，在躍遷輻射跟蹤器裏，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。

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。設置量能器的目的是通過吸收粒子來測量它們的能量。這裏有兩種基本的量能系統：靠裏的是「電磁量能器」，靠外的是「強子量能器」。二者都屬於「採樣式量能器」（sampling calorimeters）。在採樣式量能器裏，吸收粒子能量產生粒子簇射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。採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布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，而採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低溫恆溫器裏面。
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布位置（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，通過閃爍磚片來採集能量數據。量能器的許多性能都綜合考慮到成本和效率（即費效，cost-effectiveness）。這套設備的體積很大，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。

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）與交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設備。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，可以通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。

磁鐵系統

ATLAS探測器的磁鐵系統細分為四個部分，在裏層的螺線管磁鐵、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，共存儲了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勞侖茲力，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，通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交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、是粒子在探測區域裏的路徑。那麼，在探測區域裏，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。

前方的探測器

ATLAS探測器的測量還會通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隧道中遠離交互作用點的位置。測量極小角度彈性散射（elastic scattering）的基本思路是為了了解ATLAS交互作用點的絕對光度。

數據處理分析系統

探測器會產生難以梳理的海量數據，大約每事件將會產生25兆字節的數據，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23千兆字節每秒（petabyte/s）的數據產生。觸發系統利用簡單資訊來進行實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集群。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。如此數量的數據要求向硬碟每秒寫入超過100兆字節（MB）的資訊——每年則至少累積到1千萬億字節。
所有被永久存儲的事件將經歷脫機事件重構（offline event reconstruction），將探測器得到的信號規律轉換成物理對象，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絡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數據的數量。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序代碼對收集到的對象數據進行深入分析，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交互作用，相關的研究已經在進行和測試。這樣的仿真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通過足夠的統計數據予以確認。