ATLAS (koelaitteisto)

ATLAS () on yksi LHC-hiukkaskiihdyttimen kahdesta yleiskäyttöisestä hiukkasilmaisimesta, toinen on CMS. ATLAS ja CMS löysivät Higgsin bosonin vuonna 2012.

Taustaa 

Idea ATLAS -kokeesta syntyi vuonna 1991, jolloin LHC:tä alettiin suunnitella. ATLAS-kokeilua ehdotettiin sen nykyisessä muodossa vuonna 1992 ja tekninen suunnitelma annettiin vuonna 1994. Heinäkuussa 1997 ATLASin rakentaminen hyväksyttiin virallisesti. Ensimmäiset törmäykset mitattiin ATLASilla marraskuussa 2009.

Tutkimuskohteet 
Kokeen tarkoituksena on tutkia ilmiöitä, joihin liittyy hyvin massiivisia hiukkasia, jotka eivät olleet havaittavissa aiemmilla vähäenergisemmillä hiukkaskiihdyttimillä. Tähän mennessä kaikki löydetyt hiukkaset on pystytty ennustamaan etukäteen standardimallin avulla.

LHC:ssä kaksi hiukkassuihkua törmäsivät ensimmäisessä vaiheessa noin 7 TeV energialla, mikä on noin 10 kertaa enemmän kuin mihin ennen LHC:tä pystyttiin. Ensimmäisen huoltokatkon (2012-2015) jälkeen energia nostettiin 13 TeViin. ATLASin tehtävänä on havainnoida näitä törmäyksiä. Koska ATLAS on yleiskäyttöinen hiukkasilmaisin, sillä mitataan sekä protoni-protoni että lyijyionien törmäyksiä. ATLASin on pystyttävä mittaamaan törmäyksissä syntyvien hiukkasten suunta, liikemäärä ja sähköisesti varatun hiukkasen merkki, mittaamaan elektronien, fotonien ja hadronien energia sekä tunnistamaan jo tunnetut tai vielä tuntemattomat hiukkaset.

Yksi ATLASin tärkeimmistä tehtävistä oli tutkia Higgsin bosonia, joka antaa joillekin hiukkasille massan. Higgsin bosonin löytämisen jälkeen ATLASilla tutkitaan myös uusia fysiikan teorioita kuten supersymmetriateoriaa ja supersäieteoriaa.

Osat ja toiminta 
ATLAS-havaitsimen putken, jossa LHC:n lähettämät hiukkassuihkut törmäävät, ympärillä on toinen toistaan suurempia sylintereitä. Ne voidaan jakaa neljään pääosaan: sisäinen ilmaisin (inner detector), kalorimetrit, myonispektrometri (muon spectrometer) ja magneettijärjestelmä. Jokainen näistä koostuu monista kerroksista. Sisäinen ilmaisin jäljittää hiukkasia tarkasti, kalorimetrit mittaavat helposti pysähtyvien hiukkasten energioita ja myonijärjestelmä tekee ylimääräisiä mittauksia kaiken muun läpäisevistä myoneista. Kaksi magneettikenttää taivuttaa varatut hiukkaset sisäisessä havaitsimessa ja myonispektrometrissa, minkä johdosta niiden liikemäärän voi mitata.

Ainoat vakaat hiukkaset, joita ei voi suoraan havaita, ovat neutriinot. Niiden läsnäolo on päätelty huomaamalla liikemäärän epätasapaino havaittujen hiukkasten kesken. Yksittäisen törmäyksen tuottamien kaikkien hiukkasten yhteenlasketun liikemäärän on nimittäin säilyttävä, eli oltava laboratoriokoordinaatistossa 0. Jotta neutriinojen havaitseminen toimisi, ilmaisimen on havaittava kaikki muut hiukkaset ilman katvealueita.

Sisäinen ilmaisin 
Sisäinen ilmaisin mittaa suunnan, liikemäärän ja sähköisesti varautuneiden hiukkasten etumerkin jokaisessa protoni-protoni törmäyksessä. Se sisältää kolme erilaista järjestelmää, jotka toimivat magneettikentässä.

Sisäinen ilmaisin 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 materiaalin kanssa, paljastaen yksityiskohtaista tietoa hiukkasen tyypistä ja sen liikemäärästä. 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 törmäyksessä syntyneen pohjakvarkin hyvin pian törmäyksen jälkeen tapahtuneesta hajoamisesta. Sisemmässä ilmaisimessa on kolme osaa, jotka on selitetty alapuolella.

Pikseli-ilmaisin 
Pikseli-ilmaisin on sisäisen ilmaisimen kaikkein sisin osa. Se sisältää kolme kerrosta ja yhteensä 1 744 moduulia. Havainnointiaine 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 47 000 pikseliä. Pikseli-ilmaisimessa on kaikkiaan 80 miljoonaa lukemakanavaa, joka on n. 50 % kaikista ilmaisimen lukemakanavista. Pikseli-ilmaisin altistuu törmäyskohdan läheisyydessä suurille säteilymäärille, joten jokaisen komponentin täytyy olla säteilysuojattu.

Puolijohderatailmaisin (semiconductor radiation tracker, STC) 
Keskimmäinen osa sisempää ilmaisinta. Sen käyttötarkoitus ja rakenne on samanlainen kuin pikseli-ilmaisimella, mutta se koostuu pitkistä, kapeista liuskoista eikä pienistä pikseleistä, peittäen käytännössä suuremman alan. STC on koottu neljästä kaksinkertaisesta tasosta piiliuskoja ja sen pinta-ala on kaikkiaan 61 neliömetriä.

Siirtymäsäteilyn ratailmaisin (transition radiation tracker, TRT) 
Tämä on uloin komponentti sisimmästä ilmaisimesta. Se rakennettiin Yhdysvalloissa ja noin puolet moduuleista tulee Indianan yliopistosta. TRT sisältää monta putkea, joiden halkaisija on neljä millimetriä ja jotka ovat 144 cm pitkiä. Se antaa paljon karkeamman tuloksen kuin kaksi muuta ilmaisinta, mutta näillä ilmaisimilla voidaan peittää suurempi alue kauempana törmäyskohdasta. Jokainen putki on täytetty kaasulla, joka ionisoituu kun varattu hiukkanen kulkee sen läpi. Negatiiviset ionit kulkeutuvat varatulle johdolle putken keskellä ja aiheuttavat mitattavan sähkövirran johdossa. TRT sisältää myös putkien välissä olevia, vaihtelevia materiaaleja, joilla on hyvin erilaisia taitekertoimia. Ne saavat varautuneet hiukkaset lähettämään siirtymäsäteilyä (engl. transition radiation). Siirtymäsäteilyä syntyy, kun varattu hiukkanen siirtyy yhden taitekertoimen omaavasta materiaalista toiseen. Eniten siirtymäsäteilyä emittoivat hiukkaset, joiden nopeus on hyvin lähellä valonnopeutta.

Kalorimetrit 
Kalorimetrit on sijoitettu sisäistä ilmaisinta ympäröivän solenoidimagneetin ulkopuolelle. Niiden tarkoitus on mitata hiukkasen energiaa. Kalorimetrijärjestelmiä on kaksi: sisempi sähkömagneettinen kalorimetri ja ulompi hadronikalorimetri. Kummatkin ovat näytteitä ottavia kalorimetreja eli molemmat absorboivat hiukkasten energiaa ja mittaavat saadun energian.

Sähkömagneettinen kalorimetri (EM) 
Sähkömagneettinen kalorimetri absorboi energiaa hiukkasista, jotka vuorovaikuttavat sähkömagneettisesti (sähköisesti varatut hiukkaset ja fotonit). EM-kalorimetrissä käytetään nestemäistä argonia sekä lyijyä ja ruostumatonta terästä. Kalorimetrin ympärillä on kryostaatti pitämässä sitä tarpeeksi kylmänä.

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

Magneettijärjestelmä 

ATLASissa on kaksi suprajohtavaa sähkömagneettia. Pienemmän liikemäärän omaavat kappaleet kaareutuvat magneettikentässä enemmän Lorentzin voiman vaikutuksesta, joten hiukkasen liikemäärän voi päätellä sen radan kaarevuudesta. Kaareutumisen suunta magneettikentässä (myötä- tai vastapäivään) kertoo hiukkasen varauksen etumerkin. Sisempi solenoidi on sisimmän ilmaisimen ulkopuolella ja se tuottaa 2 teslan magneettikentän. Ulompi toroidi sijaitsee myonijärjestelmän sisällä. Se tuottaa päädyissä 1 T ja keskellä 0.5 T magneettikentän.

Myonispektrometri 
Myonit ovat lähes ainoita hiukkasia, jotka pystyvät kulkemaan kaikkien kalorimetrien läpi ja saavuttamaan uloimmat kuoret. Myonijärjestelmä mittaa tarkemmin myoneiden liikemäärän ja varauksen etumerkin kuin sisemmät jäljittimet. Toroidimagnetti antaa tälle järjestelmälle tarvittavan magneettikentän. Mittauskammiot ovat kolmena sylinterinmuotoisena kehänä, jotka ovat 5 m, 7 m, ja 10 m etäisyydellä törmäyspisteestä. Päädyissä ne ovat suurien renkaiden muotoisia.

Lähteet

Aiheesta muualla

 ATLAS-kokeen virallinen kotisivu

Large Hadron Collider