Над чем работают на детекторах atlas cms
На Большом адронном коллайдере работают два крупных (ATLAS и CMS) и два средних (ALICE и LHCb) эксперимента, а также несколько экспериментов небольшого масштаба. Каждый из крупных и средних детекторов расположен в специально выделенном подземном зале; их положение в ускорительном кольце показано на схеме. Мелкие же детекторы будут работать поблизости от крупных. Особняком стоит эксперимент MoEDAL, который размещается на стенах экспериментального зала LHCb.
Небольшое терминологическое пояснение. Каждый детектор был создан отдельной коллаборацией — группой ученых и инженеров, набранной специально для этой цели. Эта же группа будет контролировать эксперимент — то есть работу детектора во время набора статистики, а также будет обрабатывать полученные данные. Все три синонима — детектор, эксперимент и коллаборация — будут использоваться в соответствии с тем, что именно нужно подчеркнуть — «железо», процесс работы или группу людей.
Детекторы Большого Адронного Коллайдера
Ну больше мне особо нечего сообщить, так что переходим к самой статье. Сейчас я расскажу про четыре детектора, которые располагаются соответственно в четырёх точках коллайдера, где и происходят столкновения. Эти детекторы: ATLAS , CMS , ALICE и LHCb .
ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
Эксперимент ATLAS является одним из двух детекторов общего назначения на БАКе. Он исследует довольно широкий спектр физики: от бозона Хиггса до частиц, составляющих тёмную материю.
Частицы сталкиваются в центре детектора ATLAS, после чего появляются встречные обломки в виде новых частиц, которые разлетаются во всех направлениях. Детектор записывает путь, энергию и импульс каждой из этих частиц при помощи шести различных подсистем, расположенных в слоях вокруг точки столкновения. Впоследствии это позволяет идентифицировать каждую из них.
Внутренний детектор
Внутренний детектор имеет цилиндрическую форму, внутреннее кольцо находится всего в нескольких сантиметрах от оси проходящего пучка частиц, а внешнее кольцо имеет диаметр в 2,1 метра и длину 6,2 метра. Он состоит из трех различных систем датчиков, погруженных в магнитное поле. Внутренний детектор измеряет направление, импульс и заряд электрически заряженных частиц, образующихся при каждом столкновении. Основными элементами данного компонента являются: полупроводниковая система слежения (трекер) , трековый детектор переходного излучения и детектор мелких частиц (пиксельный детектор) .
Жидкоаргонные калориметры (LAr Camorimeters)
Калориметры измеряют энергию, которую частица теряет, когда проходит через детектор. Он поглощает частицы, возникающие при столкновении, фиксируя их энергию. Калориметры состоят из слоев "поглощающего" материала с высокой плотностью — свинца, чередующегося со слоями "активной среды" — жидкого аргона. Калориметры могут останавливать большинство известных частиц (кроме мюонов и нейтрино).
Мюонный спектрометр
Спектрометр состоит из 4000 индивидуальных мюонных камер, использующих четыре различные технологи, позволяющие идентифицировать мюоны и измерять их импульсы. Эти частицы обычно проходят через внутренний детектор и калориметр, а потому и требуется наличие этого аппарата.
Магнитная система
Магнитная система ATLAS изгибает частицы вокруг различных слоев детекторных систем, что упрощает отслеживание треков частиц.
CMS (Compact Muon Solenoid)
CMS является детектором общего назначения, поэтому он так же как и ATLAS может использоваться в разных целях: от изучения стандартном модели до поиска частиц, составляющий тёмную материю.
Детектор построен вокруг огромного магнита-соленоида. Представляет собой цилиндрическую катушку сверхпроводящего кабеля. Поле ограничено стальным "хомутом", который является массивнейшим компонентом детектора (его масса целых 14 000 тонн!) . Размеры же детектора следующие:
• длина — 21 м
• ширина — 15 м
• высота — 15 м
Состоит из 4 основных компонентов:
Магнит-соленоид
Является крупнейшим магнитом в мире, служащим для искривления траектории полёта частиц, которые появились из точки столкновения (про это я подробно рассказал в 1 части статьи ). С его помощью определяется заряд частиц (положительно- и отрицательно заряженные частицы изгибаются в противоположных направлениях) и их импульс (его величина зависит от кривизны траектории частиц). Огромные размеры соленоида позволяют расположить в нём ещё трекер и калориметры прямо внутри катушки.
Кремниевый трекер
Состоит из 75 миллионов отдельных электронных датчиков, расположенных в концентрических слоях. Когда заряженная частица пролетает через слои трекера, она передает часть энергии каждому слою, что позволяет при объединении этих точек столкновения частицы с различными слоями определить её траекторию.
Калориметры
На детекторе CMS установлены электронный и адронный калориметры. Принцип их работы описан выше при разборе калориметров эксперимента ATLAS.
Эксперимент CMS является одним из крупнейших международных научных исследований в истории, в котором принимают участие 4300 человек: физики в области элементарных частиц, инженеры и техники, студенты и вспомогательный персонал из 182 институтов, 42 стран (данные на февраль 2014 года) .
ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
ALICE - детектор тяжелых ионов на кольцах большого адронного коллайдера. Он предназначен для изучения физики сильно взаимодействующего вещества при экстремальных плотностях энергии, где образуется особая фаза вещества, называемая кварк-глюонной плазмой .
Поясняю. Вот мы знаем, то всё состоит из атомов, верно? А из чего же состоят сами атомы? Из ядра (состоящего из протонов и нейтронов) и электронов, вращающихся по орбите вокруг ядра. А из чего состоят эти протоны и нейтроны? Из ещё более мелких частиц - кварков (про них, кстати, я раньше упоминал на канале ) , соединённых с другими мелкими частицами - глюонами. Причём никакой кварк никогда не наблюдался отдельно: видимо, они с глюонами постоянно связаны вместе и ограничены внутри протонов и нейтронов.
Явление, связанное с невозможностью получения кварков в свободном состоянии, называется конфайнментом .
Столкновения в БАКе создают огромные температуры, из-за которых в этих экстремальных условиях протоны и нейтроны "расплавляются", создавая ту самую кварк-глюонную плазму.
Ну и наши любимые технические данные:
Эксперимент насчитывает более 1 000 ученых из более чем 100 институтов физики в 30 странах.
LHC-b (Large Hadron Collider beauty experiment)
Данный эксперимент исследует небольшие различия между веществом и антиматерией, изучая особый тип частицы - "бьюти-кварк" или "b-кварк" .
Вместо того, чтобы окружать всю точку столкновения с помощью закрытого детектора, как рассмотренные выше ATLAS и CMS , эксперимент LHCb использует серию саб-детекторов для обнаружения тех частиц, которые были направлены вперед в результате столкновения. Первый саб-детектор установлен близко к точке столкновения, а остальные — один за другим на расстоянии 20 метров.
На БАКе создается очень много различных типов кварков, прежде чем они быстро распадаются на другие формы. Чтобы поймать те самые заветные b-кварки , для LHCb были разработаны сложные движущиеся следящие детекторы, расположенные вблизи движения пучка частиц по коллайдеру.
Около 700 ученых из 66 различных институтов и университетов вовлечены в эксперимент LHCb (данные на октябрь 2013 г)
Другие эксперименты на коллайдере
Помимо указанных выше четырёх детекторов, присутствуют ещё несколько. Долго запинаться на них не буду и расскажу про них в общих чертах:
Сравнение ATLAS и CMS
ATLAS и CMS — два главных эксперимента на Большом адронном коллайдере. Это самые крупные и самые сложные из когда-либо построенных детекторов для коллайдерных экспериментов. Соответственно, коллаборации ATLAS и CMS — самые большие из когда-либо существовавших в экспериментальной физике элементарных частиц; каждая из них насчитывает не одну тысячу участников.
По своему устройству эти детекторы следуют классической схеме — в центре расположены трековые детекторы для измерения траекторий частиц, затем — калориметры для измерения их энергий, а снаружи — специальные детекторы для регистрации мюонов. Всё это погружено в сильное магнитное поле, направленное вдоль оси пучков, которое искривляет траектории частиц и позволяет по этому искривлению измерить их импульс.
Если посмотреть внимательно на размеры отдельных компонентов, то можно заметить, что центральная часть детекторов вместе с калориметрами относительно компактна, а свой впечатляющий размер эти детекторы набирают за счет большой системы мюонных детекторов. Такой акцент на регистрации мюонов не случаен. Дело в том, что мюоны с высокой энергией — свидетельство того, что при столкновении протонов наверняка произошло что-то интересное, скорее всего связанное с электрослабыми взаимодействиями, а возможно, даже с хиггсовским бозоном или экзотическими частицами.
И ATLAS, и CMS являются многоцелевыми детекторами — они «заточены» под изучение любых процессов с высокоэнергетическими частицами. Однако их дизайн существенно различается. Детектор ATLAS имеет беспрецедентно большие размеры при умеренно сильном магнитном поле, в то время как детектор CMS создает очень сильное магнитное поле при умеренно больших размерах. В обоих случаях траектории частиц успевают искривиться примерно на одинаковую величину, поэтому и эффективность их измерения должна быть примерно одинаковой в обоих экспериментах.
Разная идеология — максимизация размеров или максимизация поля — накладывает разные требования на устройство детекторов. Например, умеренно сильное магнитное поле в детекторе ATLAS означает, что внутренний детектор должны быть довольно большим. В результате только он помещается в центральный соленоид ATLAS, а калориметры расположены уже снаружи него. Это значит, что мюонные камеры расположены на еще больших радиусах, и для них требуется отдельно создавать магнитное поле (его обеспечивают тороидальные магниты).
Детектор CMS устроен иначе. Очень сильное магнитное поле можно сделать лишь с помощью умеренно компактного магнита, причем единого для внутренних детекторов и для внешних мюонных камер. Это значит, что мюонные камеры должны стоять сразу снаружи соленоида, и получается, что калориметры приходится помещать прямо внутрь соленоида. В результате критически важными становятся размеры калориметров, из-за чего приходится использовать очень тяжелые материалы. Возрастают и требования к электронике. В целом детектор получается очень тяжелым, и надежная механическая поддержка этой тяжести в условиях тесноты тоже становится нетривиальной инженерной задачей.
Коллаборация
По состоянию на июнь 2008 года коллаборация CMS насчитывала 3000 ученых и инженеров, работающих над созданием и работой детектора. В подготовке и проведении эксперимента участвуют 183 института из 38 стран мира. Вклад российских институтов в создание различных компонентов детектора CMS показан на рис. 8.
Магнит
Ключевым элементом детектора CMS является тяжелый сверхпроводящий магнит. По своей конструкции он напоминает привычный электромагнит с сердечником, только «вывернутый наизнанку». Вместо внутреннего железного сердечника у него есть внешнее железное ярмо (показано красным цветом на рис. 1 и 2), которое не дает линиям магнитного поля расходиться в пространстве, а как бы удерживает их внутри металла. Благодаря такой конструкции единый электромагнит создает сильное магнитное поле как внутри, так и снаружи цилиндра. Внутри цилиндра помещаются трековые детекторы и калориметры, а наружное поле используется для отклонения мюонов. В результате, когда мюон вылетает из центра детектора и пролетает через центральную область и область возвратного поля, он отклоняется сначала в одну сторону, а потом в другую, вычерчивая характерный профиль, похожий на букву «S». Этот профиль, причем для мюонов разных энергий, присутствует на эмблеме CMS.
Магнит CMS — самый крупный из когда-либо созданных сверхпроводящих электромагнитов. Он создает магнитное поле 4 тесла внутри цилиндра диаметром 6 м и длиной 12,5 м. Полная энергия, запасенная в таком электромагните, составляет 2,6 ГДж — достаточно, чтобы расплавить десяток тонн металла. Сильное магнитное поле, действующее на сами обмотки электромагнита, порождает также и огромные механические напряжения. Достаточно сказать, что при запитке магнита он деформируется на 0,15%. Неудивительно, что ток запускается в обмотки магнита очень медленно и осторожно. Дополнительную сложность этому процессу придает необходимость поддерживать электромагнит при температуре жидкого гелия.
Ярмо магнита с массой около 10 тысяч тонн — самый тяжелый компонент детектора CMS (для сравнения, масса детектора ATLAS целиком составляет «всего» 7 тысяч тонн). Оно содержит в два раза больше железа, чем Эйфелева башня. Механическая поддержка ярма сама по себе является нетривиальной инженерной задачей.
Форвард-детекторы
Имеется два основных типа форвард-детекторов — обычные, устанавливаемые снаружи вакуумной трубы, и так называемые детекторы Roman Pots, в которых тонкие полупроводниковые пластинки устанавливаются прямо внутри вакуумной трубы и могут пододвигаться к оси пучка на миллиметровые расстояния. Все форвард-детекторы будут находиться в области, максимально подверженной жесткой радиации от протонных столкновений, что накладывает серьезные ограничение на конструкцию детекторов и используемые при этом материалы.
На LHC уже готовы к работе два эксперимента с форвард-детекторами — TOTEM и LHCf. Кроме них в ближайшие годы планируется закончить разработку и встроить в ускоритель еще несколько детекторов такого типа: CASTOR, LUCID, ALFA, FP420.
Эксперимент TOTEM будет проводиться сразу на нескольких детекторных модулях, установленных в разных местах вдоль ускорителя недалеко от детектора CMS. Его задачи: измерить полное сечение столкновений протонов, упругое рассеяние на малые углы, изучить неупругие дифракционные процессы, а также измерить светимость протонных столкновений в центре CMS.
LHCf — это маленький и кратковременный эксперимент, в котором будут детектироваться рожденные в протонных столкновениях нейтральные частицы большой энергии — фотоны и нейтроны. Этот эксперимент очень пригодится для проверки теоретических моделей столкновения космических лучей очень высокой энергии (в основном протонов) с молекулами атмосферы. Проверка этих моделей позволит уточнить наши знания о космических лучах с энергией вплоть до 10 17 эВ.
Мюонная система
Мюонные камеры расположены снаружи соленоида, причем они чередуются со слоями железного ярма, по которому «возвращается» магнитное поле. На детекторе CMS используются мюонные детекторы трех типов: дрейфовые трубки, катодные полосковые камеры и камеры с резистивными пластинками. Часть этих камер предназначена для определения координат и времен пролетевших мюонов, а другая часть используется для быстрого мюонного триггера, который должен в режиме реального времени решить, представляет ли это событие что-то интересное с точки зрения мюонов.
Как ищут Новую физику на четвертом по величине эксперименте БАК
В 2017 году коллаборация LHCb выпустила статью, посвященную открытию сразу пяти новых частиц — возбужденных состояний очарованного омега-бариона. По счастливой случайности Гай Уилкинсон и Рольф Линднер, официальный представитель и технический директор четвертого по величине эксперимента Большого адронного коллайдера, оказались в эти дни в Москве с визитом в НИТУ МИСиС. Мы воспользовались этой возможностью и встретились с физиками, чтобы расспросить их о современном состоянии детектора, о научных результатах коллаборации и о будущих планах. Вспоминаем наше большое интервью.
N+1: Многие слышали о Большом адронном коллайдере, о бозоне Хиггса. Однако о том, чем занимаются конкретные эксперименты, например, ATLAS или CMS, известно гораздо более узкому кругу лиц. Название вашего эксперимента — LHCb — происходит от английского Large Hadron Collider , что означает собственно «большой адронный коллайдер». А что такое b? И в чем суть вашего эксперимента?
Гай Уилкинсон: По сути наш эксперимент близок к ATLAS — мы пытаемся найти следы новой физики за пределами Стандартной модели. Стандартная модель дает очень полное описание фундаментальных строительных блоков материи и их взаимодействий. Но мы знаем, что она не полная. Многое она не в состоянии объяснить. Например, она не объясняет, почему Вселенная состоит из вещества, а не из антивещества. Наш эксперимент пытается решить эту загадку.
Литера «b» в названии эксперимента означает «beauty» («красота», «прелестность»). Это не потому, что люди, работающие на эксперименте, так красивы. Хотя Рольф весьма симпатичный ( смеется ). Этот термин означает, что мы исследуем прелестные кварки. Эти кварки производятся на Большом адронном коллайдере в огромных количествах. Проводя очень точные исследования этих частиц, мы можем найти отличия в поведении вещества и антивещества. Мы проводим очень-очень точные измерения их поведения и сравниваем их с теоретическими предсказаниями Стандартной модели. Мы надеемся увидеть расхождения и отличия между предсказаниями и измерениями — они могут стать ключом к ответу на некоторые фундаментальные вопросы.
N+1: Распады прелестных частиц видят все три крупных эксперимента БАК — и ATLAS, и CMS, и LHCb. В чем особенность LHCb?
Уилкинсон: И правда, все эксперименты видят их, но LHCb разработан и построен так, чтобы выжать из этих наблюдений максимум, собрать наибольшее количество этих распадов и провести самые точные измерения. Мой коллега Рольф, по сути, построил наш детектор. Он может объяснить, почему его форма так отличается от CMS и ATLAS.
Рольф Линднер: Это слегка преувеличение, говорить что я построил детектор. Но я координировал его строительство и установку. Итак, если мы говорим о том, как устроены детекторы ATLAS и CMS, то точка, в которой происходит столкновение протонов, находится в их центре. Детектор LHCb отличается от них формой. Мы сталкиваем протоны у торца установки. Детектор располагается всего в 8 миллиметрах от точки столкновения, а в будущем он будет располагаться еще ближе. Поскольку нас интересуют только события, связанные с рождением прелестных частиц, которые разлетаются под небольшим углом в известном направлении, для нас достаточно поставить детектор именно там и следить за частицами, вылетающими под этими небольшими углами.
Преимущество того, что детектор располагается лишь по одну сторону от точки столкновения, заключается в том, что у нас больше места для систем детектора. Он состоит из нескольких слоев для отслеживания траекторий частиц. Вблизи точки столкновения у нас располагаются магниты, затем идут счетчики черенковского излучения, калориметры и другие слои.
Уилкинсон: Если посмотреть на CMS, то он скорее имеет форму цилиндра. Если же в столкновении протонов образуются прелестные кварки, то они летят вперед. И форма нашего детектора разработана таким образом, чтобы эффективно ловить именно эти частицы.
Линднер: Если CMS — это «большая луковица», то LHCb — это половина луковицы.
N+1: В Стандартной модели шесть кварков. А почему вы выбрали именно прелестные кварки, а не очарованные или странные?
Уилкинсон: Отличный вопрос! У прелестных кварков много интересных особенностей, идеально подходящих для наших исследований. Прелестный кварк формирует частицы, существующие очень короткое время, но его достаточно, чтобы они успели пролететь небольшое расстояние внутрь детектора. Затем они распадаются на другие частицы. Очарованный, странный и топ-кварки распадаются, в основном, по одному из небольшого количества путей. У прелестного кварка таких путей тысячи. И каждый путь распада позволяет провести отдельное исследование тех эффектов, которые нас интересуют.
Именно в путях распада частиц, в состав которых входят прелестные кварки, мы ожидаем увидеть разницу между свойствами вещества и антивещества. Эта разница называется нарушением CP-инвариантности. В прелестных частицах ее легче увидеть.
N+1: Как я понимаю, LHCb измеряет вероятности распада прелестных частиц на другие, заранее известные частицы-осколки. Стандартная модель дает какие-то предсказания для этой вероятности, физика за ее пределами дает другие предсказания. А каким образом это происходит?
Уилкинсон: Например, мы исследуем распад прелестной частицы на конкретный набор других частиц. И вместе с тем, мы исследуем распад антипрелестной частицы, в ходе которого возникает «антинабор» соответствующих античастиц. Разница между этими распадами — это и есть CP-нарушение. В Стандартной модели это нарушение объясняется и управляется всего одним параметром в ее математическом описании. Если существует физика за пределами Стандартной модели, то в ней должен быть еще и другой параметр для описания разницы между поведением вещества и антивещества. Мы просто сравниваем предсказания Стандартной модели с ее одним параметром и экспериментальные данные. И любые отклонения укажут на новую теорию, которая скорректирует предсказание и опишет экспериментальные данные.
Нам кажется, что эта теория должна существовать, потому что Вселенная сделана из вещества, а не антивещества, а это определяется именно CP-нарушением. Это, кстати, впервые заметил известный русский физик Андрей Сахаров. Он обнаружил, что для преобладания вещества над антивеществом должен существовать некий значительный источник CP-нарушения. В Стандартной модели CP-нарушение есть, но оно не достаточно сильное. Поэтому должно быть что-то еще.
N+1: А расскажите чуть подробнее, что такое CP-нарушение?
Уилкинсон: В физике есть много фундаментальных симметрий. Симметрия C, charge — относительно заряда частицы, P, parity — зеркальная симметрия и T, time — симметрия относительно обращения времени. Последняя означает, что фундаментальный процесс, происходящий во времени, должен быть таким же, если обратить время вспять. В начале XX века считалось, что все эти симметрии должны сохраняться. Однако потом ученые открыли, что зеркальная симметрия нарушается, симметрия относительно заряда нарушается, CP вместе тоже нарушаются. Это по сути как раз и означает, что вещество ведет себя иначе, чем антивещество. Однако физики-теоретики уверены в том, что CPT-симметрия, в которой одновременно изменяется заряд частицы, происходит зеркальное отражение и обращение времени вспять, не нарушается. Многие эксперименты пытаются проверить это утверждение — физики обязаны проверять подобные утверждения, но оно до сих пор не было опровергнуто.
На LHCb мы можем искать и CPT-нарушения, мы проводили соответствующие измерения, но наш интерес сконцентрирован в области, где мы точно знаем, что существуют нарушения симметрии, — на нарушениях CP-инвариантности.
N+1: За время работы LHCb вы собрали огромное количество данных. Есть ли уже сейчас какие-то серьезные расхождения со Стандартной моделью, например, в новых данных? Есть ли надежда на Новую физику в ближайшие годы?
Уилкинсон: Пока мы не нашли ровным счетом ничего однозначно указывающего на различия между предсказаниями Стандартной модели и экспериментом. Стандартная модель все еще хорошо все описывает. Но мы увидели в данных, собранных за Run 1 (2009–2013 годы) несколько интересных эффектов. Они не повторяют в точности то, что предсказывает Стандартная модель. Но эта разница не настолько значительна, чтобы мы могли сказать: мы сделали открытие.
Есть много разных экспериментов, которые можно провести с прелестными частицами. Можно исследовать нарушения CP-инвариантности в очень редких путях распада прелестных частиц. В некоторых таких процессах мы нашли интересные эффекты, которые могут исчезнуть с набором статистики, а могут стать сильнее. Потому нам нужно собирать больше данных с помощью детектора, построенного Рольфом.
N+1: Большая часть статей, опубликованных LHCb, основаны на данных Run 1 . А когда можно ждать обработки данных Run 2 ?
Уилкинсон: Они, по сути, только начали появляться. Мы делаем очень точные измерения, и они требуют много времени на обработку. Обычно между сбором данных и публикацией статьи проходит по меньшей мере год, иногда больше. Этим утром (17 марта) мы опубликовали первую статью, в которой используются данные Run 2 . Она посвящена исследованию очень-очень редкого процесса, распада прелестного адрона на два мюона. Он происходит всего пару раз за миллиард событий. Позднее, летом, будут и другие статьи. Но процесс обработки данных не мгновенный.
N+1: Немного о том, что происходит на коллайдере сейчас. Сейчас БАК остановлен на техобслуживание. Что происходит с детектором? Планируются ли какие-либо усовершенствования?
Цель техобслуживания — привести детектор в порядок, добиться максимальной эффективности. Оно закончится в апреле, затем начнется введение детектора в эксплуатацию. В июне мы снова начнем собирать данные.
N+1: Как я понимаю, одна из причин ремонта — деградация материалов из-за облучения тяжелыми частицами?
Линднер: Да, это так — такие материалы мы просто заменяем. Но есть и другие причины — например, у нас есть отдельные детекторы, которые мы охлаждаем до -20 градусов Цельсия. Постоянный нагрев-охлаждение приводит к тому, что отдельные части детектора двигаются. С этой проблемой мы столкнулись этой зимой. В LHCb есть кремниевые детекторы, которые могут сломаться из-за смещений в случае некорректной сборки. Это произошло с двумя модулями, мы отправили их обратно в институт и отремонтировали. Такое иногда случается, это нормально, мы решаем эту проблему. Но в целом детектор становится все эффективнее и готов собирать новые данные.
Уилкинсон: Когда детектор работает, он находится в сложной среде, и если что-то сломается, нельзя просто взять отвертку и починить неисправность. Конечно, наш эксперимент — не то же самое, что отправка прибора в космос, где к нему больше нельзя будет прикоснуться, но есть и некоторые сходства. Нам нужно разрабатывать части детектора так, чтобы они могли «выжить» в течение года.
В 2018 году у нас будет двухгодичная остановка для усовершенствования детектора. У нас на нее большие планы. Мы поменяем почти весь детектор, мы хотим ускорить процесс сборки данных, чтобы воспользоваться полной производительностью БАК. У нас будет на это очень мало времени — хотя и кажется, что два года это много. У Рольфа в офисе есть план на стене — он напоминает план военной кампании.
Линднер: Это настоящий вызов. У нас есть всего два года на то, чтобы извлечь множество частей и заменить их на новые. Они будут работать быстрее и в условиях большей светимости коллайдера. Если сейчас мы собираем данные с частотой один мегагерц, то после замены мы перейдем на 40 мегагерц. Нам нужно быть готовым к этому обновлению.
На данный момент завершена фаза разработки новых частей и около года остается на их изготовление.
Уилкинсон: Это главная причина нашего визита в Москву. У нас много коллег из России. На самом деле доля русских на LHCb больше, чем на любом другом эксперименте БАК. Здесь у нас есть коллеги, занимающиеся сборкой частей нового усовершенствованного детектора.
N+1: На эту встречу меня пригласили коллеги из НИТУ МИСиС. А какую роль они играют в сборке нового детектора? Какие части они изготавливают?
Линднер: В прошлом, как и рассказал Гай, у нас было много партнеров из России, занимавшихся апробацией деталей, — мы им очень благодарны за это. Более чем год назад мы начали работать вместе с НИТУ МИСиС. Физики из МИСиС участвовали в анализе материалов для наших детекторов и получили результаты, которые кажутся нам очень интересными. Я уверен, что они сыграют важную роль для эксперимента в будущем. Очень скоро, если все пройдет хорошо, НИТУ МИСиС станет ассоциированным членом коллаборации LHCb и присоединится к нам при обновлении детектора.
Уилкинсон: У НИТУ МИСиС есть очень хорошая инженерная экспертиза. Мы — физики, мы не так много знаем о материалах, о том, как сконструировать детекторы и собрать их в единую установку. Что происходит в материалах в экстремальных условиях, в которых работает БАК, как изменяются материалы под действием непрерывного облучения пучков ускорителя — это те вопросы, в которых нужна экспертиза НИТУ МИСиС. В этих вопросах университет лидирует в мире.
Линднер: Они могут не только провести анализ тех материалов, которые у нас есть, но более того — они смогут разработать и создать для нас новые технологии, которые смогут выдерживать высокую радиацию. Они будут гораздо лучше, чем то, что у нас есть сейчас. У нас не так много инженерных университетов, участвующих в коллаборации. Большая часть университетов занимается анализом данных, но для того, чтобы иметь эти данные, нам нужен хорошо работающий детектор. А значит, нам нужны инженеры-механики, инженеры-электротехники, материаловеды, чтобы делать наши детекторы лучше.
Детекторы ALICE и LHCb
Детекторы ALICE и LHCb являются крупными, но специализированными установками.
Детектор ALICE «заточен» под изучение столкновений тяжелых ядер, в которых рождаются уже не сотни, а десятки тысяч отдельных адронов, поэтому критическим для него становится умение различать треки отдельных частиц. Кроме того, специальные детекторы отслеживают «осколки» ядер, которые не поучаствовали в столкновении, а просто пролетели мимо.
Детектор LHCb предназначен для изучения свойств «прелестных» адронов (то есть адронов, содержащих b-кварк). Такие адроны успевают отлететь от оси пучка на доли миллиметра, поэтому ключевым элементом LHCb является вершинный детектор, который может заметить такое смещение. В обоих детекторах важнейшую роль играют системы идентификации частиц.
Трековые детекторы
Трековые детекторы в детекторе CMS следуют классической схеме. Ближе всего к вакуумной трубе расположен пиксельный детектор. Три цилиндрических слоя имеют радиусы 4, 7 и 11 см и содержат все вместе 65 миллионов отдельных пикселов, каждый размером 100 на 150 микрон.
На больших расстояниях от оси пучка, вплоть до радиуса 130 см, расположены десять слоев кремниевого полоскового детектора. Он содержит свыше 15 тысяч отдельных модулей разного дизайна, насчитывающих вместе 10 миллионов чувствительных полосок, информация с которых считывается 80 тысячами каналов сбора данных. Для оптимизации работы полосковый детектор поддерживается при температуре –20°C.
Детектор CMS и так тяжелый, поэтому система сбора данных с центрального детектора спроектирована так, чтобы весить как можно меньше. После обработки полученных сигналов front-end электроникой (то есть электроникой, крепящейся непосредственно к торцам детектирующих модулей) данные переводятся в последовательность вспышек инфракрасного лазера и выводятся из детектора по 40 тысячам оптоволоконных каналов.
Калориметры
В соответствие со стандартной практикой, в детекторе CMS установлено два типа калориметров: внутренний (электромагнитный) — для измерения энергий электронов и фотонов, и внешний (адронный) — для измерения энергий адронов.
Электромагнитный калориметр CMS сделан на основе тяжелых сцинтилляционных кристаллов вольфрамата свинца, плотность которых больше, чем у стали. Преимущество этого материала по сравнению с другими сцинтилляторами состоит в том, что электроны и фотоны порождают в нём очень короткие ливни с хорошо известными свойствами. Это значит, что измерение энергий частиц будет происходить с высокой точностью и на малых расстояниях, что очень важно для компактного детектора CMS. Слабая сторона этого сцинтиллятора — высокая чувствительность к температуре, поэтому все сто тонн калориметра приходится держать при постоянной температуре, с отклонениями не более десятой доли градуса. Учитывая, что соседние детекторные компоненты (трековый детектор, соленоид и т. д.) требуют для работы свои специальные температурные режимы, задача охлаждения отдельных компонентов тоже становится нетривиальной.
Использующиеся в детекторе CMS кристаллы вольфрамата свинца выращивались в двух местах в мире: в бывшем военном комплексе в городе Богородицк и в Шанхайском институте керамик (подробности см. в истории изготовления кристаллов на сайте CMS).
Торцевые калориметры детектора CMS умеют надежно отличать отдельный фотон высокой энергии от пары фотонов, родившихся при распаде нейтрального пи-мезона высокой энергии и потому вылетевших в очень близких направлениях. Одиночные фотоны высоких энергий редки и могут указывать на то, что при столкновении протонов имело место какое-то очень интересное явление (например, распад хиггсовского бозона на два фотона, который будет очень важным для поиска легкого хиггсовского бозона). Нейтральные пи-мезоны, наоборот, рождаются в изобилии и в подавляющем большинстве случаев никакой особо интересной информации не несут.
В обычном электромагнитном калориметре эти две ситуации различить трудно, поскольку единичный фотон и пара близких фотонов порождают схожие ливни. Поэтому в торцевых сегментах CMS, непосредственно перед электромагнитным калориметром, установлен тонкий слой специального предливневого детектора фотонов (preshower). Этот детектор сделан по технологии кремниевых полосковых детекторов, поэтому размер чувствительной ячейки в нём составляет всего два миллиметра (против кристаллов с поперечным сечением 3 на 3 см в электромагнитном калориметре). Два фотона, разделенные несколькими миллиметрами, удается различить в предливневом детекторе как две отдельные частицы.
Адронный калориметр должен породить и поглотить адронные ливни, которые по своей природе более протяженные, чем электромагнитные. Поэтому вместить адронный калориметр внутрь относительно компактного соленоида оказалось непростой задачей. На самом деле, несколько слоев адронного калориметра пришлось даже разместить снаружи соленоида для того, чтобы убедиться, что адронный ливень полностью поглотился веществом и нет утечки ливня наружу.
Адронный калориметр собран из 36 отдельных «клиньев», каждый весом 26 тонн, плюс еще 36 клиньев чуть меньшего размера установлены на торцах детектора. Каждый клин представляет собой слойку, состоящую из чередующихся слоев плотного материала-поглотителя и слоев органического сцинтиллятора. Свет, выделившийся в каждом слое сцинтиллятора, выводится наружу по оптоволокну, причем свет от отдельных слоев просто складывается. Этот свет на выходе превращается в электрический сигнал с помощью гибридных фотодиодов, которые были разработаны специально для работы в сильных магнитных полях.
В дополнение к ним имеется специальный адронный калориметр, установленный в направлении «вперед» вблизи оси пучка (форвард-калориметр). Поскольку в протон-протонных столкновениях адроны вылетают преимущественно под небольшими углами к оси пучка, именно в форвард-калориметре выделяется основная доля всей энергии адронов. Для того чтобы выдержать столь сильную радиацию, в форвард-калориметре используются иные материалы, чем в остальных секциях адронного калориметра.
На сайте CMS приводится интересная история о том, как в подмосковной Дубне изготавливались торцевые сегменты адронных калориметров. Для поглощающих пластинок требовался достаточно прочный материал, способный долго держать сильное механическое напряжение. Выбор инженеров остановился на латуни, однако латунь высокого качества была для тех времен (1990-е годы) слишком дорогой. Один из специалистов вспомнил, что ему в свое время приходилось сталкиваться с расчетами прочности латунных гильз для снарядов Балтийского флота. Оказалось, что на складах ВМФ действительно имеются неиспользованные запасы орудийных гильз из высококачественной латуни. Было получено разрешение на их переплавку, и в результате около миллиона гильз пошло на создание поглотителей для адронного калориметра CMS. Подробнее об этой истории см. на сайте ОИЯИ в Дубне.
Детектор CMS
Название CMS расшифровывается как Compact Muon Solenoid (Компактный мюонный соленоид). На первый взгляд, слово «компактный» здесь может показаться неуместным — ведь длина детектора составляет 20 м, а диаметр — 15 м. На самом деле это слово подчеркивает, что этот детектор заметно компактнее сестринского эксперимента ATLAS (длина 43 м, диаметр 22 м), хотя не уступает ему по исследовательским возможностям. Этого удалось добиться благодаря очень сильному магниту, из-за которого детектор CMS оказался чрезвычайно тяжелым — 15 тысяч тонн против 7 тысяч тонн детектора ATLAS. Всё это — умеренно большие размеры, большой вес и сильное магнитное поле — налагает на устройство компонентов детектора особые требования.
Читайте также: