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Articulo de referencia

experimento ATLAS

Coordenadas : 46°14′8″N 6°3′19″E / 46.23556°N 6.05528°E / 46.23556; 6.05528 ATLAS [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] es el experimento de detector de partículas de propósito general más grande d...

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Coordenadas : 46°14′8″N 6°3′19″E / 46.23556°N 6.05528°E / 46.23556; 6.05528

ATLAS [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] es el experimento de detector de partículas de propósito general más grande del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), un acelerador de partículas del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) en Suiza. [ 4 ] El experimento está diseñado para aprovechar la energía sin precedentes disponible en el LHC y observar fenómenos que involucran partículas altamente masivas que no eran observables utilizando aceleradores anteriores de menor energía . ATLAS fue uno de los dos experimentos del LHC involucrados en el descubrimiento del bosón de Higgs en julio de 2012. [ 5 ] [ 6 ] También fue diseñado para buscar evidencia de teorías de la física de partículas más allá del Modelo Estándar .

El experimento es una colaboración en la que participan 6003 miembros, de los cuales 3822 son físicos (última actualización: 26 de junio de 2022) procedentes de 243 instituciones en 40 países. [ 1 ] [ 7 ]

Historia

Crecimiento de aceleradores de partículas

El detector ATLAS en construcción en octubre de 2004 en el foso experimental. La construcción finalizó en 2008 y ATLAS ha estado recopilando datos con éxito desde noviembre de 2009, cuando comenzó la operación de colisión de haces en el LHC. Nótese la presencia de personas al fondo, para comparar el tamaño.

El primer ciclotrón , un tipo primitivo de acelerador de partículas, fue construido por Ernest O. Lawrence en 1931, con un radio de apenas unos centímetros y una energía de partícula de 1 megaelectronvoltio (MeV) . Desde entonces, los aceleradores han crecido enormemente en la búsqueda de producir nuevas partículas de masa cada vez mayor . A medida que los aceleradores han evolucionado, también lo ha hecho la lista de partículas conocidas que podrían investigarse con ellos.

Colaboración ATLAS

La Colaboración ATLAS, el grupo internacional de físicos pertenecientes a diferentes universidades y centros de investigación que construyeron y operan el detector, se formó en 1992 cuando las propuestas de colaboración EAGLE (Experimento para mediciones precisas de rayos gamma, leptones y energía) y ASCOT (Aparato con toroides superconductores) unieron sus esfuerzos para construir un único detector de partículas de propósito general para un nuevo acelerador de partículas , el Gran Colisionador de Hadrones . [ 8 ] En la actualidad, la Colaboración ATLAS cuenta con 6003 miembros, de los cuales 3822 son físicos (última actualización: 26 de junio de 2022) de 257 instituciones en 42 países. [ 1 ] [ 7 ]

Diseño y construcción de detectores

El diseño fue una combinación de dos proyectos anteriores para el LHC, EAGLE y ASCOT, y también se benefició de la investigación y el desarrollo de detectores realizados para el Supercolisionador Superconductor , un proyecto estadounidense interrumpido en 1993. El experimento ATLAS se propuso en su forma actual en 1994 y fue financiado oficialmente por los países miembros del CERN en 1995. Otros países, universidades y laboratorios se unieron en años posteriores. Los trabajos de construcción comenzaron en las distintas instituciones, y los componentes del detector se enviaron al CERN y se ensamblaron en el foso del experimento ATLAS a partir de 2003.

Funcionamiento del detector

La construcción se completó en 2008 y el experimento detectó sus primeros eventos de haz de protones individuales el 10 de septiembre de ese año. [ 9 ] La toma de datos se interrumpió durante más de un año debido a un incidente de extinción del imán del LHC . El 23 de noviembre de 2009, las primeras colisiones protón-protón ocurrieron en el LHC y fueron registradas por ATLAS, a una energía de inyección relativamente baja de 900  GeV en el centro de masa de la colisión. Desde entonces, la energía del LHC ha ido aumentando: 1,8  TeV a finales de 2009, 7  TeV durante todo 2010 y 2011, luego 8  TeV en 2012. El primer período de toma de datos realizado entre 2010 y 2012 se conoce como Run I. Después de una parada prolongada (LS1) en 2013 y 2014, en 2015 ATLAS vio colisiones de 13 TeV. [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] El segundo período de toma de datos, Run II, se completó, siempre a  una energía de 13 TeV, a finales de 2018 con una luminosidad integrada registrada de casi 140 fb −1 ( femtobarn inverso ). [ 13 ] Un segundo cierre prolongado (LS2) en 2019–22 con mejoras al detector ATLAS [ 14 ] fue seguido por Run III, que comenzó en julio de 2022. [ 15 ]

Liderazgo

Stephane Willocq frente al experimento ATLAS.
Stéphane Willocq , portavoz de ATLAS (2025 - actualidad).

La Colaboración ATLAS está dirigida actualmente por el portavoz Stephane Willocq y los portavoces adjuntos Anna Sfyrla y Guillaume Unal . [ 16 ] Los portavoces anteriores han sido:

Programa experimental

En el campo de la física de partículas , ATLAS estudia diferentes tipos de procesos detectados o detectables en colisiones energéticas en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Para los procesos ya conocidos, se trata de medir con mayor precisión las propiedades de las partículas conocidas o de encontrar confirmaciones cuantitativas del Modelo Estándar . Los procesos no observados hasta ahora permitirían, de detectarse, descubrir nuevas partículas o confirmar teorías físicas que van más allá del Modelo Estándar .

Modelo estándar

El Modelo Estándar de la física de partículas es la teoría que describe tres de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas (la interacción electromagnética , débil y fuerte , omitiendo la gravedad ) en el universo , además de clasificar todas las partículas elementales conocidas . Se desarrolló por etapas a lo largo de la segunda mitad del siglo XX, gracias al trabajo de muchos científicos de todo el mundo, [ 17 ] y la formulación actual se finalizó a mediados de la década de 1970 tras la confirmación experimental de la existencia de los quarks . Desde entonces, la confirmación del quark top (1995), el neutrino tau (2000) y el bosón de Higgs (2012) han reforzado aún más el Modelo Estándar . Además, el Modelo Estándar ha predicho con gran precisión diversas propiedades de las corrientes neutras débiles y de los bosones W y Z.

Aunque se cree que el Modelo Estándar es teóricamente autoconsistente [ 18 ] y ha demostrado un gran éxito al proporcionar predicciones experimentales , deja algunos fenómenos sin explicar y no llega a ser una teoría completa de las interacciones fundamentales . No explica completamente la asimetría bariónica , no incorpora la teoría completa de la gravitación [ 19 ] tal como la describe la relatividad general , ni da cuenta de la expansión acelerada del universo tal como posiblemente la describe la energía oscura . El modelo no contiene ninguna partícula de materia oscura viable que posea todas las propiedades requeridas deducidas de la cosmología observacional . Tampoco incorpora las oscilaciones de neutrinos y sus masas no nulas.

Mediciones de precisión

Con la importante excepción del bosón de Higgs , detectado por los experimentos ATLAS y CMS en 2012, [ 20 ] todas las partículas predichas por el Modelo Estándar habían sido observadas por experimentos anteriores. En este campo, además del descubrimiento del bosón de Higgs , el trabajo experimental de ATLAS se ha centrado en mediciones de precisión, destinadas a determinar con cada vez mayor exactitud los numerosos parámetros físicos de la teoría. En particular para

Medidas de ATLAS:

Por ejemplo, los datos recopilados por ATLAS permitieron en 2018 medir la masa [(80,370±19) MeV ] del bosón W , uno de los dos mediadores de la interacción débil , con una incertidumbre de medición de ±2,4 ‰ .

bosón de Higgs

Los esquemas, denominados diagramas de Feynman, muestran las principales formas en que se puede producir el bosón de Higgs del Modelo Estándar a partir de la colisión de protones en el LHC.

Uno de los objetivos más importantes de ATLAS fue investigar una pieza faltante del Modelo Estándar, el bosón de Higgs . [ 1 ] [ 21 ] El mecanismo de Higgs , que incluye el bosón de Higgs, da masa a las partículas elementales, lo que lleva a diferencias entre la fuerza débil y el electromagnetismo al dar masa a los bosones W y Z mientras que deja al fotón sin masa.

El 4 de julio de 2012, ATLAS — junto con CMS, su experimento hermano en el LHC — informó evidencia de la existencia de una partícula consistente con el bosón de Higgs con un nivel de confianza de 5 sigma , [ 5 ] con una masa de alrededor de 125 GeV, o 133 veces la masa del protón. Esta nueva partícula "similar al Higgs" fue detectada por su desintegración en dos fotones (H→γγ{\displaystyle H\rightarrow \gamma \gamma }) y su desintegración en cuatro leptones (H→ZZ∗→4l{\displaystyle H\rightarrow ZZ^{*}\rightarrow 4l}yH→WW∗→miνμν{\displaystyle H\rightarrow WW^{*}\rightarrow e\nu \mu \nu }).

En marzo de 2013, tras la actualización de los resultados de ATLAS y CMS, el CERN anunció que la partícula recién descubierta era, en efecto, un bosón de Higgs. Los experimentos también demostraron que las propiedades de la partícula, así como su interacción con otras partículas, coincidían con las de un bosón de Higgs, que se espera que tenga espín 0 y paridad positiva . El análisis de más propiedades de la partícula y los datos recopilados en 2015 y 2016 lo confirmaron aún más. [ 20 ]

En octubre de 2013, dos de los físicos teóricos que predijeron la existencia del bosón de Higgs del Modelo Estándar, Peter Higgs y François Englert , fueron galardonados con el Premio Nobel de Física .

Propiedades del quark top

Las propiedades del quark top , descubierto en Fermilab en 1995, se habían medido de forma aproximada. Con una energía y tasas de colisión mucho mayores, el LHC produce una enorme cantidad de quarks top, lo que permite a ATLAS realizar mediciones mucho más precisas de su masa y sus interacciones con otras partículas. [ 22 ] Estas mediciones proporcionan información indirecta sobre los detalles del Modelo Estándar, con la posibilidad de revelar inconsistencias que apunten a nueva física.

Más allá del modelo estándar

Si bien el Modelo Estándar predice que deberían existir quarks , leptones y neutrinos , no explica por qué las masas de estas partículas son tan diferentes (difieren en órdenes de magnitud ). Además, la masa de los neutrinos debería ser, según el Modelo Estándar , exactamente cero como la del fotón . En cambio, los neutrinos tienen masa . En 1998, los resultados de la investigación en el detector Super-Kamiokande determinaron que los neutrinos pueden oscilar de un sabor a otro, lo que dicta que tienen una masa distinta de cero. Por estas y otras razones, muchos físicos de partículas creen que es posible que el Modelo Estándar falle a energías en la escala de teraelectronvoltios (TeV) o superiores. La mayoría de las teorías alternativas, las Teorías de Gran Unificación (GUT), incluida la Supersimetría (SUSY), predicen la existencia de nuevas partículas con masas mayores que las del Modelo Estándar .

Supersimetría

La mayoría de las teorías propuestas actualmente predicen nuevas partículas de mayor masa, algunas de las cuales podrían ser lo suficientemente ligeras como para ser observadas por ATLAS. Los modelos de supersimetría implican nuevas partículas de alta masa. En muchos casos, estas se desintegran en quarks de alta energía y partículas pesadas estables que tienen muy pocas probabilidades de interactuar con la materia ordinaria. Las partículas estables escaparían del detector, dejando como señal uno o más chorros de quarks de alta energía y una gran cantidad de momento "perdido" . Otras partículas masivas hipotéticas, como las de la teoría de Kaluza-Klein , podrían dejar una huella similar. Los datos recopilados hasta el final de la segunda fase del LHC no muestran evidencia de partículas supersimétricas o inesperadas, cuya investigación continuará con los datos que se recojan a partir de la tercera fase.

violación de CP

También se está investigando la asimetría entre el comportamiento de la materia y la antimateria , conocida como violación de CP . [ 21 ] Experimentos recientes dedicados a la medición de la violación de CP, como BaBar y Belle , no han detectado suficiente violación de CP en el Modelo Estándar para explicar la falta de antimateria detectable en el universo. Es posible que nuevos modelos de física introduzcan violaciones de CP adicionales, lo que arrojaría luz sobre este problema. La evidencia que respalda estos modelos podría detectarse directamente mediante la producción de nuevas partículas, o indirectamente mediante mediciones de las propiedades de los mesones B y D. LHCb , un experimento del LHC dedicado a los mesones B, probablemente sea más adecuado para esto último. [ 23 ]

agujeros negros microscópicos

Algunas hipótesis, basadas en el modelo ADD , involucran grandes dimensiones extra y predicen que el LHC podría formar microagujeros negros . [ 24 ] Estos se desintegrarían inmediatamente mediante la radiación de Hawking , produciendo todas las partículas del Modelo Estándar en igual número y dejando una señal inequívoca en el detector ATLAS. [ 25 ]

Detector ATLAS

El detector ATLAS tiene 46  metros de largo, 25  metros de diámetro y pesa aproximadamente 7.000  toneladas; contiene unos 3.000  km de cable. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

Con una circunferencia de 27  km , el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN hace colisionar dos haces de protones, cada uno con una energía de hasta 6,8 TeV , suficiente para producir partículas con masas significativamente mayores que las de cualquier partícula conocida hasta el momento, si es que existen. Cuando los haces de protones producidos por el Gran Colisionador de Hadrones interactúan en el centro del detector, se genera una variedad de partículas con un amplio rango de energías. 

Requisitos de uso general

El detector ATLAS está diseñado para ser de propósito general. En lugar de centrarse en un proceso físico específico, ATLAS está diseñado para medir el mayor rango posible de señales. Esto garantiza que, independientemente de la forma que adopten los nuevos procesos físicos o partículas, ATLAS podrá detectarlos y medir sus propiedades. ATLAS está diseñado para detectar estas partículas, concretamente sus masas, momento , energías , tiempo de vida, cargas y espines nucleares .

Los experimentos realizados en colisionadores anteriores, como el Tevatron y el Gran Colisionador de Electrones y Positrones , también se diseñaron para la detección de propósito general. Sin embargo, la energía del haz y la altísima tasa de colisiones exigen que ATLAS sea significativamente más grande y complejo que los experimentos anteriores, lo que plantea desafíos únicos para el Gran Colisionador de Hadrones.

Diseño por capas

Para identificar todas las partículas producidas en el punto de interacción donde colisionan los haces de partículas, el detector está diseñado en capas compuestas por detectores de diferentes tipos, cada uno diseñado para observar tipos específicos de partículas. Las diferentes huellas que dejan las partículas en cada capa del detector permiten una identificación eficaz de las partículas y mediciones precisas de energía y momento. (La función de cada capa en el detector se analiza más adelante ). A medida que aumenta la energía de las partículas producidas por el acelerador, los detectores conectados a él deben aumentar de tamaño para medir y detener eficazmente las partículas de mayor energía. En 2022, el detector ATLAS era el más grande jamás construido en un colisionador de partículas. [ 26 ]

Sistemas de detección

Vista en sección transversal generada por computadora del detector ATLAS que muestra sus diversos componentes. Espectrómetro de muones : (1) Regiones frontales (tapas de los extremos) (1) Región del barril Sistema de imanes : (2) Imanes toroidales (3) Imán solenoide Detector interno : (4) Rastreador de radiación de transición (5) Rastreador de semiconductores (6) Detector de píxeles Calorímetros : (7) Calorímetro de argón líquido (8) Calorímetro de baldosa                   

El detector ATLAS [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] consta de una serie de cilindros concéntricos cada vez más grandes alrededor del punto de interacción donde colisionan los haces de protones del LHC. Mantener el rendimiento del detector en las zonas de alta radiación que rodean inmediatamente a los haces de protones representa un importante desafío de ingeniería. El detector se puede dividir en cuatro sistemas principales:

  1. Detector interno;
  2. Calorímetros;
  3. Espectrómetro de muones ;
  4. Sistema magnético.

Cada uno de estos detectores está compuesto a su vez por múltiples capas. Los detectores son complementarios: el Detector Interno rastrea las partículas con precisión, los calorímetros miden la energía de las partículas que se detienen fácilmente y el sistema de muones realiza mediciones adicionales de muones de alta penetración. Los dos sistemas magnéticos desvían las partículas cargadas en el Detector Interno y el Espectrómetro de Muones, lo que permite medir sus cargas eléctricas y momentos . Las únicas partículas estables conocidas que no se pueden detectar directamente son los neutrinos ; su presencia se infiere midiendo un desequilibrio de momento entre las partículas detectadas. Para que esto funcione, el detector debe ser hermético , es decir, debe detectar todas las partículas que no sean neutrinos, sin puntos ciegos.

La instalación de todos los sistemas de detección mencionados anteriormente finalizó en agosto de 2008. Los detectores recolectaron millones de rayos cósmicos durante las reparaciones del imán, que tuvieron lugar entre el otoño de 2008 y el otoño de 2009, antes de las primeras colisiones de protones. El detector operó con una eficiencia cercana al 100 % y ofreció características de rendimiento muy próximas a sus valores de diseño. [ 27 ]

Detector interno

La sección central del TRT (Transition Radiation Tracker), la parte más externa del detector interno, se ensambló sobre el suelo y tomó datos de rayos cósmicos [ 28 ] en septiembre de 2005.

El detector interno [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 29 ] comienza a unos pocos centímetros del eje del haz de protones, se extiende hasta un radio de 1,2  metros y tiene 6,2  metros de longitud a lo largo del tubo del haz. Su función básica es rastrear partículas cargadas detectando su interacción con el material en puntos discretos, revelando información detallada sobre los tipos de partículas y su momento. [ 30 ] El detector interno tiene tres partes, que se explican a continuación.

El campo magnético que rodea todo el detector interno provoca que las partículas cargadas se curven; la dirección de la curva revela la carga de una partícula y el grado de curvatura revela su momento. Los puntos de inicio de las trayectorias proporcionan información útil para identificar partículas ; por ejemplo, si un grupo de trayectorias parece originarse en un punto distinto de la colisión protón-protón original, esto puede ser una señal de que las partículas provienen de la desintegración de un hadrón con un quark bottom (véase etiquetado b ).

Detector de píxeles

El detector de píxeles, [ 31 ] la parte más interna del detector, contiene cuatro capas concéntricas y tres discos en cada extremo, con un total de 1744 módulos , cada uno de 2 centímetros por 6 centímetros. El material de detección es silicio de 250 μm de espesor . Cada módulo contiene 16 chips de lectura y otros componentes electrónicos. La unidad más pequeña que se puede leer es un píxel (50 por 400 micrómetros); hay aproximadamente 47 000 píxeles por módulo.      

El minúsculo tamaño de píxel está diseñado para un seguimiento extremadamente preciso muy cerca del punto de interacción. En total, el detector de píxeles cuenta con más de 92 millones de canales de lectura, lo que representa aproximadamente el 50 % del total de canales de lectura del detector completo. Esta gran cantidad de canales supuso un considerable desafío de diseño e ingeniería. Otro desafío fue la radiación a la que está expuesto el detector de píxeles debido a su proximidad al punto de interacción, lo que requirió que todos los componentes estuvieran protegidos contra la radiación para que pudieran seguir funcionando tras exposiciones significativas.

Rastreador de semiconductores

El detector de semiconductores (SCT) es el componente central del detector interno. Su concepto y funcionamiento son similares a los del detector de píxeles, pero utiliza tiras largas y estrechas en lugar de píxeles pequeños, lo que permite cubrir un área mayor. Cada tira mide 80 micrómetros por 12 centímetros. El SCT es la parte más crítica del detector interno para el seguimiento básico en el plano perpendicular al haz, ya que mide partículas en un área mucho mayor que el detector de píxeles, con más puntos muestreados y una precisión prácticamente igual (aunque unidimensional). Está compuesto por cuatro capas dobles de tiras de silicio, cuenta con 6,3  millones de canales de lectura y una superficie total de 61  metros cuadrados.

Rastreador de radiación de transición

El detector de radiación de transición (TRT), el componente más externo del detector interno, es una combinación de un detector de trazas de partículas y un detector de radiación de transición . Los elementos detectores son tubos de deriva (trampas), cada uno de cuatro milímetros de diámetro y hasta 144  centímetros de longitud. La incertidumbre en las mediciones de la posición de la trayectoria (resolución de posición) es de aproximadamente 200  micrómetros. Si bien no es tan preciso como el de los otros dos detectores, fue necesario para reducir el costo de cubrir un mayor volumen y contar con capacidad de detección de radiación de transición. Cada traza está llena de gas que se ioniza cuando una partícula cargada la atraviesa. Las trazas se mantienen a aproximadamente -1500  V, lo que impulsa los iones negativos hacia un hilo conductor fino en el centro de cada traza, produciendo un pulso de corriente (señal) en el hilo. Los hilos con señales crean un patrón de trazas que permiten determinar la trayectoria de la partícula. Entre las pajitas, los materiales con índices de refracción muy variables hacen que las partículas cargadas ultrarrelativistas produzcan radiación de transición y dejen señales mucho más fuertes en algunas pajitas. Se utiliza gas xenón y argón para aumentar el número de pajitas con señales fuertes. Dado que la cantidad de radiación de transición es mayor para las partículas altamente relativistas (aquellas con una velocidad muy cercana a la de la luz ), y debido a que las partículas de una energía particular tienen mayor velocidad cuanto más ligeras son, las trayectorias de partículas con muchas señales muy fuertes pueden identificarse como pertenecientes a las partículas cargadas más ligeras: electrones y sus antipartículas, los positrones . El TRT tiene aproximadamente 298.000 pajitas en total.

Calorímetros

Septiembre de 2005: La sección principal del calorímetro hadrónico ATLAS , a la espera de ser trasladada al interior de los imanes toroidales.
Una de las secciones de las extensiones del calorímetro hadrónico , a la espera de ser insertada a finales de febrero de 2006.
La sección de barril extendida del calorímetro hadrónico.

Los calorímetros [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] están situados fuera del imán solenoidal que rodea el Detector Interno. Su propósito es medir la energía de las partículas absorbiéndola. Hay dos sistemas básicos de calorímetros: un calorímetro electromagnético interno y un calorímetro hadrónico externo . [ 32 ] Ambos son calorímetros de muestreo ; es decir, absorben energía en metal de alta densidad y muestrean periódicamente la forma de la cascada de partículas resultante , infiriendo la energía de la partícula original a partir de esta medición.

Calorímetro electromagnético

El calorímetro electromagnético (EM) absorbe energía de partículas que interactúan electromagnéticamente , incluyendo partículas cargadas y fotones. Posee alta precisión, tanto en la cantidad de energía absorbida como en la ubicación exacta de la energía depositada. El ángulo entre la trayectoria de la partícula y el eje del haz del detector (o, más precisamente, la pseudorapidez ) y su ángulo dentro del plano perpendicular se miden con una precisión aproximada de 0,025 radianes . El calorímetro EM de barril cuenta con electrodos en forma de acordeón y los materiales absorbentes de energía son plomo y acero inoxidable , con argón líquido como material de muestreo. Se requiere un criostato alrededor del calorímetro EM para mantenerlo suficientemente frío. 

calorímetro de hadrones

El calorímetro hadrónico absorbe energía de partículas que pasan a través del calorímetro EM, pero que interactúan mediante la fuerza fuerte ; estas partículas son principalmente hadrones. Es menos preciso, tanto en magnitud de energía como en localización (dentro de aproximadamente 0,1  radianes solamente). [ 23 ] El material absorbente de energía es acero, con baldosas centelleantes que muestrean la energía depositada. Muchas de las características del calorímetro se eligen por su rentabilidad; el instrumento es grande y comprende una enorme cantidad de material de construcción: la parte principal del calorímetro – el calorímetro de baldosas – tiene 8  metros de diámetro y cubre 12  metros a lo largo del eje del haz. Las secciones más adelantadas del calorímetro hadrónico están contenidas dentro del criostato del calorímetro EM delantero, y también utilizan argón líquido, mientras que el cobre y el tungsteno se utilizan como absorbentes.

Espectrómetro de muones

El espectrómetro de muones [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] es un sistema de seguimiento extremadamente grande, que consta de tres partes:

  1. Un campo magnético proporcionado por tres imanes toroidales;
  2. Un conjunto de 1200 cámaras que miden con alta precisión espacial las trayectorias de los muones salientes;
  3. Un conjunto de cámaras de activación con resolución temporal precisa.

El alcance de este subdetector comienza en un radio de 4,25  m cerca de los calorímetros y se extiende hasta el radio total del detector (11  m). Su enorme tamaño es necesario para medir con precisión el momento de los muones, que primero atraviesan todos los demás elementos del detector antes de llegar al espectrómetro de muones. Fue diseñado para medir, de forma independiente, el momento de muones de 100 GeV con una precisión del 3 % y de muones de 1 TeV con una precisión del 10 %. Era fundamental realizar el montaje de un equipo tan grande porque varios procesos físicos interesantes solo pueden observarse si se detecta uno o más muones, y porque la energía total de las partículas en un evento no podría medirse si se ignoraran los muones. Funciona de forma similar al Detector Interno, con los muones desviándose para que se pueda medir su momento, aunque con una configuración de campo magnético diferente , menor precisión espacial y un volumen mucho mayor. También cumple la función de identificar muones; se espera que muy pocas partículas de otros tipos atraviesen los calorímetros y, por consiguiente, dejen señales en el espectrómetro de muones. Cuenta con aproximadamente un millón de canales de lectura y sus capas de detectores tienen una superficie total de 12 000  metros cuadrados.

Sistema magnético

Los ocho imanes toroidales del detector ATLAS
Los extremos de cuatro de los ocho imanes toroidales de ATLAS, vistos desde unos 90  metros de altura, en septiembre de 2005.

El detector ATLAS utiliza dos grandes sistemas de imanes superconductores para desviar la trayectoria de las partículas cargadas, de modo que se puedan medir sus momentos. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Esta desviación se debe a la fuerza de Lorentz , cuyo módulo es proporcional a la carga eléctrica.q{\displaystyle q}de la partícula, a su velocidadv{\displaystyle v}y a la intensidadB{\displaystyle B}del campo magnético:

F=qvB.{\displaystyle F=q\,v\,B.}

Dado que todas las partículas producidas en las colisiones de protones del LHC viajan a una velocidad muy cercana a la de la luz en el vacío(v≃do){\displaystyle (v\simeq c)}La fuerza de Lorentz es aproximadamente la misma para todas las partículas con la misma carga eléctrica.q{\displaystyle q}:

F≃qdoB.{\displaystyle F\simeq q\,c\,B.}

El radio de curvaturar{\displaystyle r}debido a la fuerza de Lorentz es igual a

r=pagqB.{\displaystyle r={\frac {p}{q\,B}}.}

dóndepag=γmetrov{\displaystyle p=\gamma \,m\,v}es el momento relativista de la partícula. Como resultado, las partículas de alto momento se curvan muy poco (grandesr{\displaystyle r}), mientras que las partículas de bajo momento se curvan significativamente (pequeñas)r{\displaystyle r}). La cantidad de curvatura se puede cuantificar y el momento de la partícula se puede determinar a partir de este valor.

Imán solenoide

El solenoide interno produce un campo magnético de dos teslas que rodea al detector interno. [ 33 ] Este campo magnético intenso permite que incluso las partículas muy energéticas se curven lo suficiente como para determinar su momento, y su dirección y fuerza casi uniformes permiten realizar mediciones con gran precisión. Las partículas con momentos inferiores a unos 400 MeV se curvarán con tanta fuerza que describirán bucles repetidamente en el campo y probablemente no se medirán; sin embargo, esta energía es muy pequeña en comparación con los varios TeV de energía liberados en cada colisión de protones.

imanes toroidales

El campo magnético toroidal externo se produce mediante ocho bucles cilíndricos superconductores de núcleo de aire muy grandes y dos imanes toroidales de aire más pequeños en los extremos, para un total de 24 bucles cilíndricos situados fuera de los calorímetros y dentro del sistema de muones. [ 33 ] Este campo magnético se extiende en un área de 26  metros de largo y 20  metros de diámetro, y almacena 1,6 gigajulios de energía. Su campo magnético no es uniforme, ya que un imán solenoide de tamaño suficiente sería prohibitivamente caro de construir. Varía entre 2 y 8 teslámetros. 

Detectores frontales

El detector ATLAS se complementa con un conjunto de cuatro subdetectores en la región frontal para medir partículas en ángulos muy pequeños. [ 34 ]

  1. LUCID (Detector Integrador Cherenkov de Luminosidad) es el primero de estos detectores diseñado para medir la luminosidad, y está ubicado en la caverna ATLAS a 17 m del punto de interacción entre las dos tapas de los extremos de los muones;
  2. El ZDC (Calorímetro de Grado Cero) está diseñado para medir partículas neutras en el eje del haz y se encuentra a 140 m del IP en el túnel del LHC, donde los dos haces se dividen de nuevo en tubos de haz separados;
  3. El AFP (Atlas Forward Proton) está diseñado para detectar eventos difractivos y se encuentra ubicado a 204 m y 217 m;
  4. ALFA (Absolute Luminosity For ATLAS) está diseñado para medir la dispersión elástica de protones situada a 240 m, justo antes de los imanes de curvatura del arco del LHC.

Sistemas de datos

Generación de datos

Los sistemas anteriores de lectura y detección de eventos de detectores de partículas se basaban en buses compartidos paralelos como VMEbus o FASTBUS . Dado que dicha arquitectura de bus no puede satisfacer los requisitos de datos de los detectores del LHC, todos los sistemas de adquisición de datos de ATLAS dependen de enlaces punto a punto de alta velocidad y redes de conmutación. Incluso con electrónica avanzada para la lectura y el almacenamiento de datos, el detector ATLAS genera demasiados datos brutos para leerlos o almacenarlos todos: aproximadamente 25 MB por evento bruto, multiplicados por 40 millones de cruces de haces por segundo (40 MHz ) en el centro del detector. Esto produce un total de 1 petabyte de datos brutos por segundo. Al evitar escribir segmentos vacíos de cada evento (supresión de ceros), que no contienen información física, el tamaño promedio de un evento se reduce a 1,6 MB , para un total de 64 terabytes de datos por segundo. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

Sistema de activación

El sistema de activación [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 35 ] utiliza la reconstrucción rápida de eventos para identificar, en tiempo real, los eventos más interesantes para conservar para un análisis detallado. En el segundo período de toma de datos del LHC, Run-2, hubo dos niveles de activación distintos: [ 36 ]

  1. El disparador de nivel 1 (L1), implementado en hardware personalizado en el sitio del detector, toma la decisión de guardar o rechazar los datos de un evento en menos de 2,5 μs. Utiliza información de granularidad reducida de los calorímetros y el espectrómetro de muones, y reduce la tasa de eventos en la lectura de 40 MHz a 100 kHz . Por lo tanto, el factor de rechazo L1 es igual a 400.  
  2. El disparador de alto nivel (HLT), implementado en software, utiliza una batería de computadoras compuesta por aproximadamente 40 000 CPU . Para decidir cuáles de los 100 000 eventos por segundo provenientes de L1 se deben guardar, se realizan análisis específicos de cada colisión en 200 μs. El HLT utiliza regiones limitadas del detector, denominadas Regiones de Interés (RoI), para reconstruirlas con la granularidad completa del detector, incluyendo el seguimiento, y permite la correspondencia de depósitos de energía con trayectorias. El factor de rechazo del HLT es 100: después de este paso, la tasa de eventos se reduce de 100 a 1 kHz . Los datos restantes, correspondientes a unos 1000 eventos por segundo, se almacenan para análisis posteriores. [ 37 ]  

Proceso de análisis

ATLAS registra permanentemente más de 10 petabytes de datos al año. [ 1 ] La reconstrucción de eventos fuera de línea se realiza en todos los eventos almacenados permanentemente, transformando el patrón de señales del detector en objetos físicos, como chorros , fotones y leptones . La computación en malla se utiliza ampliamente para la reconstrucción de eventos, lo que permite el uso paralelo de redes informáticas universitarias y de laboratorios de todo el mundo para la tarea intensiva en CPU de reducir grandes cantidades de datos brutos a un formato adecuado para el análisis físico. El software para estas tareas ha estado en desarrollo durante muchos años y se siguen realizando mejoras, incluso después de que haya comenzado la recopilación de datos. Individuos y grupos dentro de la colaboración escriben continuamente su propio código para realizar análisis adicionales de estos objetos, buscando en los patrones de partículas detectadas modelos físicos particulares o partículas hipotéticas. Esta actividad requiere procesar 25 petabytes de datos cada semana. [ 1 ]

Referencias

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Lecturas adicionales

  • Propuesta técnica de ATLAS. Archivada el 2 de agosto de 2012 en Wayback Machine CERN: El experimento Atlas. Consultada el 10 de abril de 2007.
  • " Informe técnico de diseño del detector ATLAS y su rendimiento físico. Archivado el 16 de mayo de 2003 en Wayback Machine ". CERN : El experimento Atlas. Consultado el 10 de abril de 2007.
  • NV Krasnikov; VA Matveev (septiembre de 1997). "Física en el LHC". Física de partículas y núcleos . 28 (5): 441– 470. arXiv : hep-ph/9703204 . Bibcode : 1997PPN....28..441K . doi : 10.1134/1.953049 . S2CID 118907038 . 
  • El experimento Atlas, Monica Lynn Dunford y Peter Jenni, Scholarpedia 9(10):32147. doi:10.4249/scholarpedia.32147
  • Página web pública oficial de ATLAS en el CERN (¡La "película ATLAS, ganadora de premios" es una muy buena introducción general!)
  • Página web oficial de la colaboración ATLAS en el CERN (mucha información técnica y logística).
  • Cámaras web de la caverna ATLAS archivadas el 20 de julio de 2017 en Wayback Machine .
  • Vídeo a cámara rápida del montaje
  • Sección ATLAS del sitio web de US/LHC
  • Artículo del New York Times sobre el LHC y sus experimentos.
  • Artículo del Departamento de Energía de los Estados Unidos sobre ATLAS. Archivado el 1 de marzo de 2021 en Wayback Machine.
  • La Dra. Lyn Evans CBE, directora del proyecto del Gran Colisionador de Hadrones, habla sobre la ingeniería detrás del experimento ATLAS, revista Ingenia , junio de 2008.
  • Aad, G.; et  al. (The ATLAS Collaboration) (2008-08-14). "El experimento ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN" . Journal of Instrumentation . 3 (S08003) S08003. Bibcode : 2008JInst...3S8003A . doi : 10.1088/1748-0221/3/08/S08003 . hdl : 2027.42/64167 . S2CID 250683252 . (Documentación de diseño completa)
  • Modelo LEGO del ATLAS , realizado por un científico del proyecto ATLAS en el Instituto Niels Bohr.
  • Padilla, Antonio (Tony). "ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones" . Sesenta Símbolos . Brady Haran para la Universidad de Nottingham .
  • "ATLAS celebra los resultados de 1000 artículos sobre colisiones" . ATLAS . Consultado el 3 de agosto de 2021 .
  • Registro del experimento ATLAS en INSPIRE-HEP

46°14′8″N 6°3′19″E / 46.23556°N 6.05528°E / 46.23556; 6.05528

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