Budowa i działanie detektora ATLAS

Tutaj zapoznamy się z budową detektora ATLAS oraz dowiemy jak cząstki - produkty zderzeń protonów - oddziałują w detektorze i jakie pozostawiają ślady. Będzie można wybrać krótkie filmy lub rysunki z opisami.



Nazwa ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) pochodzi od dużego, toroidalnego (t.j. mającego kształt grubej obręczy) magnesu otaczającego większość detektora. W środku detektora ATLAS zderzają się dwie tzw. paczki cząstek (każda ze 100 miliardami protonów). Są one wcześniej przyspieszane i krążą w przeciwnych kierunkach w LHC. Nie sposób przewidzieć, które z tych protonów się zderzą, a tym bardziej, które z ich części miedzy sobą oddziałają. W trakcie zderzeń protony mogą po prostu "odbić się" od siebie i pozostać całe, albo oddziałać bardziej gwałtownie i rozpaść się. W tym drugim przypadku powstaną nowe cząstki. Na podstawie informacji zebranych przez detektory o takim zderzeniu fizycy są w stanie określić, jakie procesy fizyczne mogły w nim wystąpić. Potrzebne jest do tego dobre zrozumienie budowy detektora i jego funkcji. Przyjrzyjmy się więc temu dokładniej.

Filmy o detektorze ATLAS



ATLAS w obrazkach
Na poniższych rysunkach znajdują się krótkie opisy budowy i funkcji pełnionych przez poszczególne elementy detektora.
  • Detektor ATLAS jest urządzeniem wielofunkcyjnym pracującym przy Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC). Zbudowano go, aby poszukiwać nowych informacji o tym, jak powstał Wszechświat i z czego jest zbudowany. Za pomocą detektora ATLAS fizycy pragną rejestrować cząstki wytwarzane w zderzeniach proton-proton i określać ich własności. Należą do nich wielkości takie jak pęd, ładunek elektryczny i energia. W tym celu zbudowano detektor o ogromnych rozmiarach: o długości 44 m i średnicy 25 m. Składa się on z wielu różnych elementów, często będących osobnymi, wyspecjalizowanymi detektorami, realizującymi różne zadania. Tworzą one strukturę warstwową, jak cebula, otaczającą rurę akceleratora, w której krążą protony.
  • Detektory śladowe rejestrują tylko cząstki naładowane i mierzą ich tor przelotu. Ponieważ w ich obszarze występuje pole magnetyczne, tory cząstek naładowanych są odchylane. Na podstawie zakrzywienia można wyliczyć pęd cząstki oraz określić jej ładunek elektryczny. Oddziaływania cząstek wyprodukowanych w zderzeniu z materiałem tego detektora są sporadyczne, dlatego cząstki te pozostawiają w nim niewielką część energii.
  • W kalorymetrze elektromagnetycznym (LAr electromagnetic barrel) rejestrowane są fotony i elektrony, które intensywnie oddziałują elektromagnetycznie. W ich przypadku cała energia jest absorbowana w tym detektorze i zamienia się na sygnał elektroniczny. Wielkość tego sygnału odpowiada zaabsorbowanej energii.
  • Kalorymetr hadronowy (Tile barrel) rejestruje cząstki oddziałujące silnie, zbudowane z kwarków i/lub antykwarków, zwane hadronami. Są to np. protony i neutrony.
  • Miony pozostawiają jedynie niewielką część swojej energii w kalorymetrach, dlatego są jedynymi cząstkami naładowanymi przechodzącymi przez wszystkie warstwy detektora ATLAS. Z tego powodu ostatnią jego warstwą są komory mionowe umieszczone w dodatkowym polu magnetycznym w celu jeszcze dokładniejszego pomiaru pędu mionów, niż ten dokonywany w wewnętrznym detektorze śladowym. Pole to jest wytwarzane przez ogromne toroidalne (czyli w kształcie grubego pierścienia) cewki (stąd litera T w nazwie ATLAS). Są one zbudowane z tysięcy długich rur wypełnionych specjalnym gazem. W środku każdej rury znajduje się drut, a między rurą i drutem panuje wysokie napięcie. Przelatujące miony jonizują gaz, uwalniając w nim ładunki elektryczne, które docierają do ścianek rury lub do drutu i są rejestrowane jako sygnał elektryczny.