Δομή και λειτουργία του ανιχνευτή ATLAS
Εδώ, θα εξοικειωθούμε με τη δομή του ανιχνευτή ATLAS καθώς και το πώς τα σωματίδια - τα προϊόντα των συγκρούσεων των πρωτονίων - αλληλεπιδρούν με το υλικό του ανιχνευτή και αφήνουν τα ίχνη τους. Για την κατανόηση του θέματος αυτού μπορείς να επιλέξεις αν θέλεις να χρησιμοποιήσεις video ή απλά κείμενο.
Ο ανιχνευτής ATLAS (αρκτικόλεκτο του A Toroidal LHC ApparatuS) ανιχνεύει τα προϊόντα της σύγκρουσης των πρωτονίων. Στο κέντρο του ATLAS, συγκρούονται δύο δεσμίδες πρωτονίων (με 100 δισεκατομμύρια πρωτόνια η κάθε μία), οι οποίες έχουν ήδη επιταχυνθεί σε αντίθετες κατευθύνσεις μέσα στον επιταχυντή LHC. Στις μετωπικές συγκρούσεις μεταξύ των πρωτονίων, δημιουργούνται νέα σωματίδια. Από την πληροφορία την οποία οι ανιχνευτές συλλέγουν από αυτές τις συγκρούσεις, που αποκαλούνται "γεγονότα", οι φυσικοί μπορούν να περιγράψουν τις φυσικές διαδικασίες που συνέβησαν. Φυσικά, η πληροφορία αυτή είναι αξιοποιήσιμη όταν γίνει κατανοητή η λειτουργία του ανιχνευτή. Οπότε, ας εστιάσουμε τώρα στο θέμα αυτό.
Ο ATLAS σε video
Ο ATLAS σε κείμενο και εικόνες
Στις παρακάτω εικόνες μπορείς να βρεις μια σύντομη περιγραφή της δομής και της λειτουργίας κάθε τμήματος του ανιχνευτή.
-
Ο ATLAS είναι ένας ανιχνευτής πολλαπλών χρήσεων. Χρησιμοποιείται στον Μεγάλο Αδρονικό Επιταχυντή (Large Hadron Collider, LHC) με σκοπό την περαιτέρω διερεύνηση της δημιουργίας και συγκρότησης του σύμπαντος. Με την βοήθεια του ATLAS οι επιστήμονες προσπαθούν να παρατηρήσουν σωματίδια που δημιουργούνται κατά τις συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου και να προσδιορίσουν τις ιδιότητές τους. Τέτοιες ιδιότητες είναι, για παράδειγμα, η ορμή, το ηλεκτρικό φορτίο και η ενέργεια. Γι' αυτό το σκοπό κατασκευάστηκε ο ανιχνευτής με τεράστιο μέγεθος: 44 μέτρα μήκος και διάμετρο 25 μέτρα. Ο ανιχνευτής αποτελείται από διάφορα τμήματα, το καθένα με ιδιαίτερο σκοπό. Είναι τοποθετημένα με το "σύστημα του κρεμμυδιού", όπου τα διάφορα τμήματα τοποθετούνται σε επικαλυπτόμενα επίπεδα γύρω από τους σωλήνες στους οποίους κυκλοφορούν τα πρωτόνια.
-
Ο ανιχνευτής τροχιάς ανιχνεύει σωματίδια με ηλεκτρικό φορτίο. Καταμετρούν την θέση τους σε διάφορες χρονικές στιγμές. Το μαγνητικό πεδίο που επικρατεί καμπυλώνει τις τροχιές των σωματιδίων. Μετρώντας αυτήν την καμπυλότητα μπορεί να υπολογιστεί η ορμή και να προσδιοριστεί το ηλεκτρικό φορτίο. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των σωματιδίων που παράγονται από τις συγκρούσεις και του ανιχνευτή τροχιάς είναι πολύ μικρή. Δηλαδή, τα σωματίδια εναποθέτουν μια πολύ μικρή ποσότητα ενέργειας.
-
Στο ηλεκτρομαγνητικό θερμιδόμετρο ανιχνεύονται σωματίδια (και αντισωματίδια) που αλληλεπιδρούν ηλεκτρομαγνητικά. Αυτά είναι κυρίως ηλεκτρόνια και φωτόνια. Η ενέργεια τους απορροφάται πλήρως από το θερμιδόμετρο και μετατρέπεται σε ηλεκτρονικό σήμα. Η ισχύς αυτού του σήματος αποτελεί μέτρο της ενέργειας του σωματιδίου.
-
Στο αδρονικό θερμιδόμετρο ανιχνεύονται τα σωματίδια που αλληλεπιδρούν ισχυρά (μέσω της ισχυρής αλληλεπίδρασης), δηλαδή σωματίδια που αποτελούνται από κουαρκ ή/και αντικουάρκ - αυτά που αποκαλούμε αδρόνια. Για παράδειγμα πρωτόνια και νετρόνια.
-
Τα μιόνια εναποθέτουν πολύ μικρό ποσοστό της ενέργειας τους στα θερμιδόμετρα και είναι τα μόνα "ορατά" σωματίδια που φτάνουν ως τα εξωτερικά τμήματα του ATLAS. Εκεί ακριβώς είναι οι θάλαμοι μιονίων που τα ανιχνεύουν. Οι θάλαμοι αυτοί βρίσκονται σε ένα επιπλέον μαγνητικό πεδίο για την ακριβέστερη (από ό,τι οι ανιχνευτές τροχιάς) μέτρηση της ορμής. Αυτό το μαγνητικό πεδίο δημιουργείται από τεράστια δακτυλιοειδή πηνία (από εκεί προέρχεται το T του ακρωνύμιου ATLAS, δακτυλιοειδές=toroidal). Οι θάλαμοι μιονίων αποτελούνται από χιλιάδες μακριούς σωλήνες γεμάτους με αέριο. Στο άξονα κάθε σωλήνα βρίσκεται ένα σύρμα. Τα προσπίπτοντα μιόνια ιονίζουν το αέριο και δημιουργούν φορτισμένα ελεύθερα σωματίδια τα οποία κατευθύνονται είτε προς το σύρμα ή προς τα τοιχώματα του σωλήνα λόγω της μεγάλης διαφοράς δυναμικού μεταξύ των τοιχωμάτων και του σύρματος. Μ' αυτόν τον τρόπο δημιουργείτε ένα ηλεκτρονικό σήμα που καταγράφεται.
