Aufbau und Funktionsweise des ATLAS-Detektors

Hier lernst Du wie der ATLAS-Detektor aufgebaut ist und wie die Teilchen mit dem Detektormaterial wechselwirken, so dass sie überhaupt nachgewiesen werden können. Du kannst entscheiden, ob Du dies mit Hilfe von Videos oder Texten lernen möchtest.



Mit dem ATLAS-Detektor (ATLAS steht für A Toroidal LHC AparatuS) werden die Produkte von Proton-Proton-Kollisionen nachgewiesen. Teilchenpakete (mit jeweils 100 Milliarden Protonen) werden im LHC in entgegengesetzten Umlaufrichtungen beschleunigt und in der Mitte eines riesigen Detektors zur Kollision gebracht. Ob und welche Protonen dabei zusammenstoßen ist nicht vorhersehbar. Wenn die Protonen kollidieren können sie einfach aneinander streuen (Ablenkung von Protonen) oder sie interagieren heftiger miteinander und desintegrieren dabei. In letzterem Fall entstehen neue Teilchen. An Hand der Messdaten können die Physiker feststellen, welche physikalischen Prozesse bei den Kollisionen stattgefunden haben. Allerdings nur dann, wenn sie den Detektor und seine Funktionsweise verstanden haben. Deswegen werden wir uns diese beiden Punkte nun anschauen:

ATLAS im Video



ATLAS in Wort und Bild
In der nachfolgenden Bildergalerie findest Du zu den einzelnen Detektorteilen eine kurze Beschreibung ihres Aufbaus und ihrer Funktionsweise.
  • Der ATLAS Detektor ist ein Vielzweck-Detektor (multi purpose detector). Er kommt am Large Hadron Collider (LHC) bei der Suche nach neuen Erkenntnissen zu Themen wie der Entstehungsgeschichte des Universums und dessen Zusammensetzung, zum Einsatz. Mit ihm wollen Physiker, die aus den Proton-Proton-Kollisionen entstandenen Teilchen nachweisen und deren physikalische Eigenschaften bestimmen. Diese Eigenschaften sind beispielsweise Impuls, elektrische Ladung und Energie. Dazu wurde ein Detektor gebaut, dessen Ausmaße mit 44 Metern Länge und 25 Meter Durchmesser schier atemberaubend sind. Der Detektor besteht aus verschiedenen Teildetektoren, die jeweils eine ganz bestimmte Aufgabe haben und die wie Schalen einer Zwiebel um das Strahlrohr angeordnet sind.
  • Die Spurdetektoren weisen elektrisch geladene Teilchen nach. Sie messen deren Positionen zu verschiedenen Zeiten. Da die Spurdetektoren von einem homogenen Magnetfeld durchsetzt sind, werden elektrisch geladenen Teilchen abgelenkt. Aus der Krümmung der Bahn kann man den Impuls berechnen und die elektrische Ladung bestimmen. Die Wechselwirkung der in der Kollision entstandenen Teilchen mit dem Detektormaterial der Spurdetektoren ist sehr gering, so dass die Teilchen dort nur einen geringen Teil ihrer Energie abgeben.
  • Im elektromagnetischen Kalorimeter (LAr electromagnetic barrel) werden elektromagnetisch wechselwirkende Teilchen und ihre Antiteilchen nachgewiesen. Dies sind vor allem Elektronen, Positronen und Photonen. Dabei wird die gesamte Bewegungsnergie eines Teilchens, das das Kalorimeter durchfliegt, in diesem absorbiert und in ein elektronisches Signal umgewandelt. Die Stärke dieses Signals ist ein Maß für die Bewegungsenergie des Teilchens.
  • Im hadronischen Kalorimeter (Tile barrel) werden Hadronen, stark wechselwirkende Teilchen, die aus Quarks und/oder Antiquarks zusammengesetzt sind, nachgewiesen, wie etwa Protonen oder Neutronen.
  • Myonen geben nur einen kleinen Teil ihrer Energie in den Kalorimetern ab und dringen als einzige sichtbare Teilchen durch diese hindurch nach außen. Die weiter außerhalb befindlichen Myonkammern dienen daher zu ihrer eindeutigen Identifizierung. Um den Impuls der Myonen noch genauer als nur mit dem inneren Spurdetektor zu bestimmen, befinden sich die Myonkammern in einem weiteren Magnetfeld. Dieses wird von riesigen toroidalen (ringförmigen) Spulen erzeugt, von denen auch das "T" im Namen von ATLAS herrührt. Die Myonkammern bestehen aus Röhren, die mit Gas gefüllt sind. In der Mitte jeder Röhre verläuft ein Draht. Einfallende Myonen erzeugen in dem Gas durch Ionisation freie Ladungsträger, die sich aufgrund einer angelegten Spannung zur Außenwand oder zum Draht bewegen. Dadurch entsteht ein elektronisch auslesbares Signal.