超环面仪器

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超环面仪器（A Toroidal LHC ApparatuS, ATLAS），是欧洲核子研究组织（CERN）的大型强子对撞器（LHC）所配备的七大实验探测器之一。此实验专门为观测涉及高质量粒子的现象而精心设计建造；使用先前较低能量的粒子加速器无法观测到这些现象。物理学者希望此实验能为在标准模型之后关于粒子物理学的新理论找到一些线索。

超环面仪器的长度为44m，直径为25m，总重量为7000ton，内部连接的电线长达3000km。大约有来自38个国家174个学术机构的3000位科学家和工程师共同参与这实验计划。最初15年，团队领导为彼得·坚倪，从2009年至2013年，法比奥拉·吉亚诺提是第二任领导人，从2013年开始，团队领导为大卫·查尔顿。2012年7月4日，CERN宣布，紧凑渺子线圈（CMS）探测到质量为125.3±0.6GeV的新玻色子（超过背景期望值4.9个标准差），超环面仪器测量到质量为126.5GeV的新玻色子（5个标准差），这两种粒子极像希格斯玻色子。后来确认就是希格斯玻色子。

## 历史

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1992年，先前提出的EAGLE（Experiment for Accurate Gamma, Lepton and Energy Measurements，精确光子轻子能量测量实验）计划与ASCOT（Apparatus with Super COnducting Toroids，超导环场仪器）计划合并为ATLAS实验计划，意图为大型强子对撞机建造一个多用途粒子探测器。此探测器还整合了早先为超导超大型加速器所做的探测器研发成果。ATLAS实验的最终计划于1994年提出，并在1996年由CERN的参与国家正式提供资金。很多大学与国家型实验室也在之后几年陆续加入。至今，仍有许多研究机构与物理学者新参与此计划。探测器组件是由各个研究机构分别研发制造，于2003年，这些组件开始被运送至CERN的ATLAS实验所在地进行组装。

2008年ATLAS实验设施安装完毕。同年9月10日，ATLAS实验第一次探测到粒子束事件。9天后，在暖机过程时，发生磁体失超事件，使得收集数据的工作延迟了1年多。修理耗费了几个月时间，电路缺陷探测系统与快速失超控制系统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的两道粒子束同时沿着圆形轨道循环，ATLAS探测器首先收集到质子质子碰撞数据，能量为450 GeV每粒子束。之后，ATLAS探测器持续不断的收集数据。在这期间，LHC能量也不停增加，到2009年底，已达1,180 GeV每粒子束，整个2010年与2011年，能量为3,500 GeV每粒子束，2012年，又提升到4,000 GeV每粒子束。之后关闭了两年，在2015年，更提升到6,500 GeV每粒子束。

2019年7月31日，大型强子对撞机的超环面仪器实验团队宣布找到光子与光子散射的确切证据，超过背景期望值8.2 个标准差。

## 背景

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历史上第一台回旋加速器是由欧内斯特·劳伦斯于1931年研制。这台回旋加速器的半径只有几厘米，只能制成大约1MeV能量的粒子。从那时起，为了制成更大能量粒子，加速器技术进步飞速。随着加速器的不断升级，它们研究的已知粒子的列表也变得越来越长。目前描述粒子相互作用最为完整的模型称为标准模型。所有标准模型预测的粒子都已经从实验中证实存在。

尽管标准模型预言了夸克、电子以及中微子的存在，它并没有解释不同粒子间的质量为何有如此大的差别。根据这一违反“规律”的事实，许多粒子物理学家相信标准模型在能量超过一定界限（约1 TeV）时，标准模型可能会失效。假若观测到这种超越标准模型的物理行为，物理学者希望找到一种崭新模型，能够复制标准模型已得到的结果，又能够描述更高能量的粒子物理行为。目前大多数已经提出的理论预言了新的高质量粒子，其中有一些粒子的质量较低，可以通过超环面仪器观察。

超环面仪器是个多用途粒子探测器。当大型强子对撞机制成的质子束在探测器的中心点进行散射实验时，很多各种各样具有不同能量的粒子会被生成。超环面仪器并不专注于某特定物理过程，它的设计目标是广泛地探测各种可能发生的信号。这样可以保证，不论新物理过程或任何新粒子的形式为何，超环面仪器都都够探测到它们的出现，并且测量出它们的物理性质。在此之前的对撞机实验，例如美国费米实验室的兆电子伏特加速器以及LHC的前身──大型电子正子对撞机，都是基于相同的设计理念。但是大型强子对撞机所面对的独特挑战──前所未有的高能量以及极高的对撞频率──要求超环面仪器比先前所建成的探测器更为庞大与复杂。

周长27公里的大型强子对撞机会让两束质子发生对撞，每个质子具有7 TeV的能量，这能量足以制成具有目前已知粒子十倍质量的粒子（假想这样的粒子存在）。大型强子对撞机产生的能量是最早第一台粒子加速器的7百万倍，因此它是新一代粒子加速器的典型代表。

粒子加速器制成的高能量粒子必须通过粒子探测器观察。虽然质子撞击时会发生有趣的现象，仅仅产生这样的现象是不够的。粒子探测器必需能够探测这些粒子，测量它们的质量、动量、能量、带电量和自旋。为了辨识粒子束撞击在相互作用点所制成的每一个粒子，粒子探测器通常必须设计成类似洋葱的构造。不同类型的探测器组成了不同的检测层，每一种探测器都专精于检测某特定种类的粒子。粒子在不同检测层留下的信息可以用来确认粒子的身份，并精确测量其能量和动量。探测器内每一检测层的角色稍后会详细研讨。当加速器产生的粒子的能量增加，相应的探测器的量程必须以相当的尺度增长，从而测量更高能量的粒子。截止于2008年，ATLAS是已经建成的最大的粒子探测器。

## 物理计划

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ATLAS计划探究许多可能会在LHC的高能碰撞里被探测到的物理现象，其中有一些是对标准模型的证实或测量精度的加强，而其它可能是新物理理论的重要线索。

ATLAS最主要的实验目标之一是发现标准模型的一个之前尚未证实的粒子——希格斯玻色子。在标准模型里，电弱对称性破缺促使规范向量场获得质量，但又额外生成了多余的零质量戈德斯通玻色子。选择适当的规范，可以除去这零质量戈德斯通玻色子，只存留带质量纯量场（希格斯玻色子）与带质量规范向量场（W及Z玻色子）。这整个称为希格斯机制的过程可以解释为什么负责传递弱相互作用的W及Z玻色子具有质量，而负责传递电磁相互作用的光子不具有质量。由于实验证实希格斯玻色子存在，希格斯机制获得极大的肯定，特别是对于为什么某些基本粒子具有质量这问题的解释，也可以确定标准模型基本无误。

从希格斯玻色子的衰变产物的形式，可以探测到希格斯玻色子的存在。最容易观测到的的是2个光子、2个底夸克或4个轻子。有时，只能从这些衰变与其他额外的粒子的相联作用，才能够确切识别为源于希格斯玻色子。这样的例子可以参见右边的费曼图。

有些理论不需要希格斯玻色子的存在。这些理论称为无希格斯模型，例如彩色模型。

将物质与反物质的物理行为做比较，所观测到的不对称性被称作CP破坏，这题目也包括在ATLAS的研究范围内。目前关于CP破坏的实验，例如BaBar实验和Belle实验，还没能够在标准模型里搜集到足够的CP破坏证据来解释宇宙中缺少反物质的原因。新的物理模型很可能会引入额外的CP破坏，从而为这个问题带来新线索。这些模型可以从新粒子的生成而直接被证实，或者通过测量B-介子的属性而间接被证实。LHCb是LHC的一个子实验，其目标是探究B-介子，所以比较适合后面那种间接探索的方法。

顶夸克于1995年在费米国立加速器实验室被发现，但至今为止，对于这种粒子的属性，只做了一些较为粗略地测量。LHC能提供更高的能量和粒子碰撞率，从而制成大量的顶夸克，使得ATLAS能够对该粒子进行更加精确的测量，并探究顶夸克与其他粒子间的相互作用。这些测量可以为标准模型的细节提供间接的信息，或许会揭露它与新物理现象之间的不一致。ATLAS也会对其他粒子进行类似的精确测量。例如，ATLAS最终可能会测定W玻色子的质量，精确度有望达到先前的两倍。

直接寻找一种新的物理模型可能是ATLAS中最激动人心的部分。目前很多研究的主题是超对称破坏理论。此理论十分流行，因为它有可能解决理论物理学中一系列问题，在几乎所有弦理论里都会遇到它。超对称模型涉及新的、极大质量的粒子。在许多情况里，这些粒子衰变成高能夸克和稳定的高质量粒子（这些粒子不太可能与一般物质发生相互作用）。这些稳定粒子会从探测器中逃逸，留下一个或多个高能夸克喷注的迹象，以及大量遗失动量。其它一些假想的重粒子，例如卡鲁扎-克莱因理论中的那些粒子，可能会留下相似的迹象，但是这些例子的发现肯定指出，超越标准模型之外，必定有某种不同的物理理论。

还有一个微乎其微的可能（假若宇宙具有大尺寸的额外维度）是LHC制造出微观黑洞。它们会通过霍金辐射立即衰变，以相同的数量生成标准模型中所有的粒子，并在ATLAS探测器中留下一个无可否认的迹象。实际而言，如果这现象发生，则关于希格斯玻色子以及顶夸克的研究将会从黑洞生成的这些粒子展开。

## 设备

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ATLAS探测器是由以相互作用点为中心的一系列同中心轴圆柱壳型设备和其两端的圆盘型设备所组成，主要分为四个部分：内部探测器、量能器、缈子探测器和磁铁系统。其中每一个部分又细分为好几层。各个探测器的功能相辅相成：内部探测器精确地确定粒子的轨迹，量能器测量那些被截止粒子的能量，缈子系统则提供高度穿透性缈子的额外测量数据。磁铁系统所产生的磁场促使带电粒子在移动于内部探测器时发生偏转，缈子谱仪可以从偏转的曲率测得这些粒子的动量。

中微子是唯一不能直接被探测到的已知稳定粒子；从仔细分析被探测到的粒子的动量不平衡现象，可以推断出中微子的存在。为了实现上述目标，探测器必须是密封探测器，并必须探测到所有除了中微子以外的粒子，避免存在有任何探测盲点。保持探测器在质子束附近的高辐射区具有良好性能，这是工程学的一个极大挑战。

### 内部探测器

内部探测器的内圆柱面始于距离质子束轴几厘米的位置，而外圆柱面则向外延伸至1.2m半径，在质子束轴方向总长度为7m。通过探测散射出的带电粒子与在各个不同位置的材料的相互作用，可以跟踪这些粒子的运动，这是内部探测器的基本功能，所获得的数据能够揭示粒子的种类及其动量方面的细节信息。由于内部探测器沉浸于2Tesla磁场，移动于其空间的带电粒子会发生偏转，其方向显示了带电粒子的电性，其角度则显示了粒子的动量大小。根据轨迹的起点可以给粒子身份确认提供有用的信息。例如，假若一系列粒子轨迹的初始点不是质子与质子的碰撞点，这就标志着这些粒子是源于底夸克的衰变。

内部探测器具有三个部分，下面将予以详细说明。

#### 像素探测器

像素探测器（Pixel Detector）是该探测器最里面的部分，包含了三个筒形层，在两端的端帽（end-cap）分别有三个圆盘。对于每个粒子轨迹可以给出三个精确位置。在这些筒形层与圆盘上面，总共装有1,744个同样的模块。每个模块可以测量2cm×6cm的面积，其探测材料是由厚度为250μm的硅构成。每个模块包含16个用于读出数据的芯片和其他相关电子元件。探测的最小单位是1个像素，尺寸为50μm×400μm。每个模块含有47,268像素，专门设计用来在相互作用点附近精确跟踪粒子，又有16个内嵌的、用于读出数据的芯片和其他相关电子元件。像素探测器总共有超过8千万个数据读出通道，是读出通道总数的一半，如此庞大的规模在设计和工程方面造成了巨大挑战。除此之外，由于像素探测器离相互作用点很近，会暴露于强烈辐射，这是另一个巨大挑战。该探测器的每一个元件都必须进行强化，从而能够抵抗核辐射，在接受大量辐射之后还能保持正常工作。为了降低辐射线的损害，温度必需保持在-6°C左右。

#### 半导体跟踪器

半导体跟踪器（Semiconductor Tracker, SCT）是内部探测器的中间部分。它含有四个筒形层，在两端的端帽分别含有九个圆盘。对于每个粒子轨迹它可以给出至少四个精确位置；筒形层总共装有2,122个相同模块，而圆盘总共装有1,976个模块，大约分为三种不同类型。

半导体跟踪器的概念和功能与像素探测器相似，但是最小单位的形状不是微小像素，而是窄长细条。每个细条可以测量80μm×12.6cm的范围，测量面积比较大，比较符合经济效益。每个筒形层模块装有两层长方形硅传感器。每个传感器含有768个窄长细条，可以测量62mm×124mm的面积。圆盘模块装有两层楔子形硅传感器。每个传感器含有768个高窄梯形细条，高度有6cm或12cm两种，窄度从55μm到95μm。半导体跟踪器总共具有620万个读出数据通道，总测量面积达到61m2。

由于半导体跟踪器测量粒子的范围比像素探测器更大，具有更多的采样点，大致相等的（虽然是一维的）精确度，对于基本跟踪散设粒子在垂直于粒子束的平面的运动，它是内部探测器的最关键仪器。

#### 跃迁辐射跟踪器

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跃迁辐射跟踪器（Transition Radiation Tracker, TRT）是内部探测器的最外面部分，是由麦管跟踪器（straw tracker）和跃迁辐射探测器共同结合而成的仪器。跃迁辐射跟踪器主要有两个功能：第一是准确地跟踪带电粒子。第二是正确地辨识电子。

跃迁辐射跟踪器的探测原件是漂移管（麦管），直径为4mm。长度有144cm（筒形层部分）与37cm（端帽部分）两种麦管。跃迁辐射跟踪器总共拥有298,000条麦管。每个粒子轨迹会穿过平均35条麦管。轨迹位置测量的不确定度大约是200μm。虽然精确度不如前面所述的两种探测器，但为了降低覆盖大体积以及获得跃迁辐射探测能力这两种因素所带来的高额成本，这较低的精确度是必要的牺牲。每一条麦管里都充满了氙气体混合物，当带电粒子经过时，气体混合物会被离子化。麦管保持着-1500V电压，迫使阴离子朝着位于麦管中心轴的细导线移动，从而产生电流脉冲（信号）于镀金的细钨导线。分析这些出现脉冲信号的导线所形成的图案，就可以确定离子运动的轨迹。

在筒形层部分相邻麦管之间的空间，填满了聚丙烯纤维。在端帽部分，相邻麦管层之间，安插了聚丙烯箔纸层。当运动速度接近光速的超相对论性带电粒子通过不同折射率材料的界面时，会产生跃迁辐射光子。这主要是发生在聚丙烯材料与空气的界面。通常，在跃迁辐射跟踪器里，由电子产生的光子会在麦管给出较高的能量（～8-10keV），而由π介子产生的光子会给出较低的能量（～2keV）。因此，设定适当的能量阈值（～6keV），从计算每个粒子由于跃迁辐射而给出光子能量超过阈值的次数，可以有效地辨识出这粒子是否为超相对论性电子。

### 量能器

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载有电流的螺线管包围在内部探测器的外面，而量能器又包围在螺线管的外面。设置量能器的目的是通过吸收粒子来测量它们的能量。这里有两种基本的量能系统：靠里的是“电磁量能器”，靠外的是“强子量能器”。二者都属于“采样式量能器”（sampling calorimeters）。在采样式量能器里，吸收粒子能量产生粒子簇射的材料与与测量簇射能量的材料不同，并且隔开在不同的区域。这样，可以选择最具指定功能的材料。例如，高密度金属可以在有限空间吸收粒子能量产生大量的粒子簇射，但这物质不适用于测量粒子簇射所具有的能量。采样式量能器的缺点是，有些能量没有被测量到，因此，必须估计整体簇射能量。

电磁量能器（electromagnetic calorimeter）从涉及电磁作用的粒子中吸收能量，这包括了带电粒子和光子。电磁量能器在测量能量吸收和能量分布位置这两个方面都具有很高的精确度。粒子轨道和探测器入射粒子束轴之间的角度（确切地讲叫赝快度$\eta$），以及其与垂直平面之间的夹角，测量的精确度都可以达到大约0.025弧度。用于吸收能量产生粒子簇射的材料是铅，而采样的材料则是液态氩。为了促使系统足够冷却，电磁量能器必须安装在低温恒温器里面。

那些能够穿透电磁量能器，但会感受到强作用力的粒子（大多是强子），强子量能器（hadron calorimeter）会吸收它们的能量。强子量能器在测量能量吸收以及能量分布位置（大约只能精确到0.1弧度）这两个方面的精确度都稍低。用于吸收能量的材料是钢，通过闪烁砖片来采集能量数据。量能器的许多性能都综合考虑到成本和效率（即费效，cost-effectiveness）。这套设备的体积很大，使用了大量的建筑材料。量能器的主要部分，即“闪烁砖片量能器”（scintillating tile calorimeter），内半径为2.28m，外半径为4.25m，在粒子束轴向覆盖距离达12m。

### 缈子谱仪

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缈子谱仪（muon spectrometer）是一个体积极大的轨迹跟踪系统，其筒型部分占有空间从量能器外面，从半径大约为4.25m处开始，一直延伸到超环面仪器最外层，即半径大约为11m处，其端帽部分的最外层（受监控漂移管）与相互作用点之间的距离为21m。缈子谱仪必需具备有巨大的体积，才能够精确测量缈子的动量，这些缈子已经穿过了超环面仪器的其他设备。这一步骤很重要，因为这些缈子的探测是一系列有趣物理过程的关键，假设在一个事件中有些缈子被忽略，则事件的总能量将不可能被精确地测量出来。

缈子谱仪和内部探测器的工作方式相似，可以通过被磁场偏转的缈子轨迹来确定其动量；不过，对于这过程，缈子谱仪所使用的磁铁构型有所不同，空间精确度相较更低，体积却大得很多。

缈子谱仪也是个触发器（trigger），能够按照简单准则快速地决定，哪些事件比较有价值，应该被记录下来，哪些事件与实验目标无关，应该被忽略。缈子谱仪具有单纯识别缈子的功能。缈子谱仪大约拥有1百万读出通道，其各个探测器层总面积达到12,000m2。

### 磁铁系统

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ATLAS探测器的磁铁系统细分为四个部分，在里层的螺线管磁铁、在外筒层的环状磁铁、在两个端盖环状磁铁。这个磁铁系统的长度有26米、直径有20米，共存储了1.6千兆焦耳（gigajoule）的能量。

它会促使带电粒子发生偏转，从而让其他仪器测定它们的动量。这运动偏转是由于带电粒子受到了洛伦兹力，这个力的大小与粒子的运动速度成正比。由于LHC的质子碰撞所产生的每个粒子都会以接近光速的速度运动，因此不同动量粒子所感受到的力大小相等。根据相对论，当粒子运动速度接近光速时，动量和速度并不成正比；高动量粒子会发生些微偏转，而低动量粒子会发生显著偏转，通过测量轨迹可以定量曲率，从而确定粒子的动量。

载有电流的超导螺线管会在内部探测器的相互作用点区域产生相当均匀的2特斯拉轴向磁场，直到两端区域才降低至0.5特斯拉轴向磁场。这轴向磁场大致与径向距离无关。这强磁场使得即使高能量粒子也能够发生足够明显的偏转，从而可以确定它们的动量。这强磁场接近均匀的方向和强度使得测量结果非常精确。大约400MeV以下的粒子会强烈地偏转，它们会在磁场中反复回旋，这样它们将不会被测量到。然而，这能量级别与质子撞击产生的几TeV能量级别的粒子能量相比，却非常小。

外筒层环状磁铁是由8个空心超导线圈组成，主要功能是为缈子系统产生大约0.5特斯拉环状磁场。粒子的运动轨迹与环状磁场之间呈大约直角关系。定义磁场的“弯曲本领”为$\int_{\mathbb{L}} B_{\perp}\mathrm{d}\ell$；其中，$B_{\perp}$是磁场垂直于粒子移动路径的分量、${d}\ell$是微小路径元素、$\mathbb{L}$是粒子在探测区域里的路径。那么，在探测区域里，弯曲本领可以保持很高数值。这对于粒子的动量测量非常重要。

两个端帽的环状磁铁也是由8个的空心磁芯超导线圈组成，主要功能是为缈子系统提供最佳弯曲本领的磁场，满足这前提，在这区域的环状磁场大约为1特斯拉。弯曲本领大约为1-7.5Tm（特斯拉·米）。稍加比较，螺线管磁铁可给出大约1.5-5.5Tm的弯曲本领。

### 前方的探测器

ATLAS探测器的测量还会通过位于前方区域的一系列探测器补充。这些探测器被放置在LHC隧道中远离相互作用点的位置。测量极小角度弹性散射（elastic scattering）的基本思路是为了了解ATLAS相互作用点的绝对光度。

## 数据处理分析系统

探测器会产生难以梳理的海量数据，大约每事件将会产生25兆字节的数据，而每束交叉（beam crossing）有23个粒子事件，每秒又有40,000,000个束交叉在探测器的中央产生，因此总共会有23千兆字节每秒（petabyte/s）的数据产生。触发系统利用简单信息来进行实时识别那些有趣的事件，将它们的信息保留下来以供详细的分析。总共有三个触发级别，其中一个是基于探测器电子，而另外两个主要是基于探测器附近的大型计算机集群。在第一级别的触发，每秒有大约100,000个事件被筛选出。在第三级别的触发中，大约几百个事件还被保留，提供给后续分析。如此数量的数据要求向硬盘每秒写入超过100兆字节（MB）的信息——每年则至少累积到1千万亿字节。

所有被永久存储的事件将经历脱机事件重构（offline event reconstruction），将探测器得到的信号规律转换成物理对象，例如喷注（jets）、光子和轻子。事件重构过程将会大量应用网格计算技术，使得全球范围不同大学和实验室的计算机网络能够并行处理高强度的中央处理器任务，大大减少适合用来进行物理分析的原始数据的数量。进行这些任务的软件已经研发了许多年，当实验开始进行以后，还将不断更新。

参与该实验合作的个人和团体可以利用他们自己输入的程序代码对收集到的对象数据进行深入分析，在被探测粒子的规律中寻找某种物理模型或者假想的粒子。基于对粒子的细节模拟和它们与探测器的相互作用，相关的研究已经在进行和测试。这样的仿真模拟给物理学家提供了一个良好的灵感，让他们预测哪些新粒子会被发现，以及需要多久的时间来通过足够的统计数据予以确认。

## 参阅

- 探寻希格斯玻色子时间轴

## 参考文献

### 来源

- （官方完整设计文件）
- ATLAS Technical Proposal. CERN：The Atlas Experiment. Retrieved on 2007-04-10
- ATLAS Detector and Physics Performance Technical Design Report. CERN：The Atlas Experiment. Retrieved on 2007-04-10

## 外部链接

- Official ATLAS Public Webpage CERN的ATLAS实验网页（其得奖的ATLAS影片是给一般大众的介绍）
- ATLAS合作团队网页 （技术性内容为主）
- 位于ATLAS地下洞穴的网络摄影机
- ATLAS section from US/LHC Website
- The Large Hadron Collider ATLAS Experiment Virtual Reality (VR) photography panoramas
- Atlas Experiment News and social networking