Детектор CMS видит намеки на распад, невозможный в Стандартной модели. Детектор cms значение исследований для астрономии
Детекторный комплекс CMSДетекторный комплекс (детектор) CMS (Compact Muon Solenoid − Компактный мюонный соленоид) − один из двух больших универсальных детекторов на LHC. В коллаборацию CMS входят 183 лабораторий и университетов из 38 стран, включая Россию. Длина детектора − 25 м, диаметр − 15 м. CMS "компактнее" другого большого детектора на LHC − ATLAS (длина 43 м, диаметр 22 м). CMS имеет огромный и мощный сверхпроводящий магнит (~4 Тесла), охватывающий трекер и калориметры, и огромный объем кремниевого трекера с радиусом 1.2 м. ATLAS имеет менее мощный магнит (2 Tл), кремниевый трекер с радиусом 0.5 м и трекер переходного излучения с радиусом 1.2 м. Из-за своего магнита, CMS очень тяжелый − 15000 тонн. ATLAS весит "всего" 7000 тонн. У CMS кристаллический электромагнитный калориметр (PbW04) с хорошим энергетическим разрешением. ATLAS оснащен сильно гранулированным калориметром с жидким аргоном (LAr) с хорошим пространственным разрешением. Экспериментальные возможности CMS и ATLAS сравнимы. На CMS максимализировалось магнитное поле при минимализации размеров, на ATLAS наоборот. Одной из основных задач, которые надеялись решить с помощью Большого адронного коллайдера, был поиск бозона Хиггса. Векторные бозоны распадаются или на кварковые, или лептонные пары. Однако из-за гигантского фона сильных процессов на адронном коллайдере, детектирование лептонного канала предпочтительно. В связи с этим, детектор LHC был преимущественно нацелен на детектирование лептонов. CMS имеет "традиционную" структуру: трекер − калориметры − мюонные детекторы (рис. 1, 2). Рис.1. Детектор CMS. Рис. 2. Сечение детектора CMS. МагнитГлавная достопримечательность CMS − его магнит. Это самый большой сверхпроводящий магнит, который когда-либо создавался. У него есть "возвратное" ярмо, благодаря которому создается сильное магнитное поле снаружи барреля. В барреле находятся трекеры и калориметры, снаружи − мюонные детекторы. Когда мюоны попадают во внешнюю область, они под действием магнитного поля ярма отклоняются в обратную сторону (см. рис. 2). Ярмо служит также фильтром, пропуская только мюоны и слабо взаимодействующие частицы, в частности нейтрино. Магнит поддерживается при температуре жидкого гелия. Трекинговая система
Ближе всего к оси пучка расположен пиксельный детектор. В этой области поток частиц гигантский. Так на расстоянии 8 см от пучка, на 1 см2 площади приходится около 10 млн. частиц в секунду. Пиксельный детектор должен быть способен распутать и восстановить все треки, которые они оставляют, и выдерживать такую бомбардировку в течение длительного времени. Пиксельный детектор (рис. 3) состоит из трех цилиндрических слоев с радиусами 4, 7 и 11 см и содержит 65 млн. 100×150 мкм пикселей.
На бóльших расстояниях от оси пучка, вплоть до радиуса 130 см, расположены десять слоев кремниевого полоскового детектора. Первые четыре слоя содержат полоски (стрипы) 10 см × 180 мкм, затем еще 6 слоев со стрипами 25 см × 180 мкм (рис. 4). Всего в полосковом детекторе около 10 миллионов стрипов, информация с которых считывается 80 тысячами каналов сбора данных. Полосковый детектор поддерживается при температуре –20°C. Загрузка при полной светимости LHC по оценкам должна составить 1% для пиксельного трекера и 1-2% для полоскового. Трекинговая система CMS − самый большой кремниевый детектор в мире. Общая площадь чувствительных кремниевых сенсоров более 200 м2. Это приблизительно как теннисный корт. Предливневый детекторОдна из основных задач электромагнитного калориметра при поиске бозона Хиггса, регистрация высокоэнргетичных фотонов, которые возникают при его распаде. Однако, образующиеся π0-мезоны, имеющие малые времена жизни, также распадаются на фотоны и сигналы от двух фотонов могут суммироваться и имитировать фотоны от распада бозона Хиггса. Электромагнитный калориметр может не различить эти события. Для решения этой проблемы перед электромагнитным калориметром установлен предливневый детектор. Предливневые детекторы расположены в торцах, где угол между направлениями двух фотонов распада π0-мезона может быть мал. Предливневый детектор представляет из себя два слоя свинцового поглотителя, между которыми расположены кремниевые сенсоры, похожие на сенсоры в трекере. Когда фотон проходит свинцовый поглотитель, он вызывает электромагнитный ливень, включающий в себя электрон-позитронные пары, которые детектируются в сенсоре. Отсюда извлекается энергия фотона. Так как в предливневом детекторе два слоя, можно определить координаты фотона. Когда "подозрительный" высокоэнергетичный фотон детектируется в электромагнитном калориметре, можно экстраполировать его трек в точку столкновения и оценить его вклад в отклик преливневого детектора, добавить этот вклад в отклик электромагнитного калориметра и сделать заключение был ли это действительно один высокоэнергетичный фотон или фотонная пара. В каждом предливневом детекторе используется 18 м2 кремниевых полосковых детекторов. Каждый кремниевый сенсор размерами около 6.3см×6.3см×0.3мм разделен на 32 стрипа, образуя сетку в торцах, покрывая практически всю площадь торца электромагнитного калориметра. Это диск с отверстием диаметра 50 см в середине для трубопровода пучка. Диск имеет толщину всего 20 см, но в не вписаны два слоя поглотителя, два слоя сенсоров с электроникой, а также системы нагрева и охлаждения. Последнее необходимо, так как кремниевые детекторы должны работать пр температуре между -10oC и -15oC. Расположенный рядом электромагнитный калориметр с PbW04 очень чувствителен к температуре, которая должна поддерживаться с точностью 0.1oC. Таким образом, предливневый детектор должен холодным внутри и теплым снаружи. Предливневый детектор имеет существенно лучшую гранулярность (стрипы шириной 2 мм), чем электромагнитый калориметр (кристалы шириной 3 см). Соответственно предливневый детектор способен различить отдельные фотоны из распада π0-мезона. Электромагнитный калориметрПосле трекинговой системы и предливневого детектора находится электромагнитный калориметр. Гомогенный электромагнитный калориметр детекторного комплекса CMS содержит 76200 кристаллов вольфрамата свинца (PbW04) (рис. 5), 61200 – в цилиндрической части (барреле) и 15000 – на обоих торцах. Размеры кристаллов 2.2×2.2×23 см в барреле и 3×3×22 см на торцах. Кристаллы находятся в матрицах из углеродного или стекловолокна, образуя так называемые модули супермодули и суперкристаллы.
Учитывая малую радиационную длину (0.89 см) и малый мольеровский радиус (2.19 см) PbW04, электромагнитные ливни неплохо умещаются в пределах одного кристалла. Калориметр находится в магнитном поле 4 Тл. Свет регистрируется лавинными фотодиодами (цилиндрическая часть калориметра) и вакуумными фототриодами (торцевая часть калориметра), устойчивыми к магнитному полю. Адронный калориметр
Адронный гетерогенный калориметр CMS состоит из центральной (HB), внешней (HO), торцевой (HE) и передней (HF) секций. HB и HE-калориметры находятся в поле соленоида. Секции HF – форвард-калориметры находятся на обоих концах CMS. HB-калориметр состоят из 36 отдельных «клиньев» каждая, каждый весом 26 тонн, плюс еще 36 клиньев чуть меньшего размера установлены на HE-калориметре. В HB и HE-калориметрах используется латунь. Полоски латуни толщиной 5 см используются в HB-калориметре и 8 см – в HE-калориметре. Они прослоены чувствительными ячейками пластического сцинтиллятора с общим числом 8 тысяч каналов считывания. Так как толщина HB-калориметра может оказаться недостаточной для поглощения адронного ливня, организован еще один – HO-калориметр. Для этого, после первого мюонного поглотителя установлены сцинтилляционные плитки. Таким образом был организован дополнительный адронный HO-калориметр. Для того, чтобы увеличить диапазон по бсевдобыстротам η до 5, после после мюонных детекторов установлены адронные форвард-калориметры (3 < η < 5. В качестве абсорбера в нем используются кварцевые волокна внедренные в стальную поглощающую матрицу. Под воздействием ультрарелятивистских частиц в кварце генерируется черенковское излучение, которое регистрируется ФЭУ. Световые сигналы от сцинтилляторов считывается светопреобразующими волокнами а затем по оптическим волокнам передаются фотодетекторам. Установленные на CMS гибридные фотодиоды (HB, HO, HE) постепенно заменяют на микропиксельные лавинные фотодиоды. Мюонные детекторы
Само название "Компактный мюонный соленоид" говорит о том, что детектирование мюонов на CMS – одна из основных его задач. Почти все известные частицы, кроме мюонов и нейтрино, останавливаются в калориметрах. Так что после калориметров только мюоны могут производить сигналы в детекторах. Поэтому мюонные детекторы устанавливаются в самом конце детекторного комплекса (рис. 1, 2). Для идентификации мюонов и измерения их импульсов на CMS используются детекторы трех типов: дрейфовые трубки, катодные полосковые камеры и камеры с резистивными пластинами (рис. 8). Дрейфовые трубки (DT) и катодные полосковые камеры (CSC) используются для прецизионного измерения треков, DT – в центральной цилиндрической области, CSC – на торцах. Камеры с резистивными пластинами (RPC) позволяют точно засекать момент, когда мюон проходит через мюонный детектор. Они установлены как в цилиндрической части (барреле), так и на торцах. Дрейфовые трубкиМюонная система DT содержит 250 дрейфовых трубок шириной 42 мм. Трубки наполнены газом (85% Ar + 15% CO2 ) и в них протянуты проволоки (аноды), которые находятся под положительны напряжением (рис. 9). Состав газа и электронная оптика трубки оптимизированы так, чтобы обеспечить линейную зависимость времени дрейфа от расстояния. Из четырех слоев параллельно расположенных дрейфовых трубок формируется суперслой (superlayer) (рис. ).
Из суперслоев формируются камеры. Камера (2м×2.5м) состоит из двух суперслоев для измерения r-φ координат и перпендикулярного к ним одного суперслоя для измерения r-Z координат (рис. 11). Камеры находятся в пяти кольцах, каждое из которых состоит и 12 секторов. В секторе одна камера находится внутри ярма, две − встроены в ярмо, одна − вне ярма (рис. 12).
При прохождении через дрейфовую трубку заряженной частицы (мюоны) образуются свободные электроны, которые дрейфуют к аноду. Для определения координат частицы в CMS используются два алгоритма. Один из них базируется на приближении постоянной скорости дрейфа электронов. Тогда расстояние х, которое пролетел электрон будет x = vdrift·tdrift, где vdrift·и tdrift − скорость и время дрейфа, которые определяются в результате калибровки. Катодные полосковые камеры
Катодные полосковые (стриповые) камеры (рис. 13) это многопроволочные пропорциональные камеры, которые состоят из шести плоскостей анодных проволочек и, перпендикулярно к ним расположенных, семи плоскостей катодных стрипов. Катодные стрипы имеют трапециодальную форму (Δφ = const). В камерах используется газовая смесь(40% Ar + 50% CO2 + 10% CF4). При пролете мюонов через камеру, из атомов газа выбиваются электроны, которые стекаются к анодным проволокам, создавая электронную лавину. Лавина вокруг анода индуцирует заряды на катодных стрипах (см. рис. 14). Распределение заряда на катодных стрипах имеет полную ширину на половине высоты приблизительно в полтора раза бóлшую чем расстояние между анодом и катодом. Так как проволоки и стрипы перпендикулярны, с катодных полосковых камер снимается двумерная пространственная информация. Катодные полосковые камеры обеспечивают измерение φ-координаты мюонных треков с точностью до ~100 мкм. Временное разрешение порядка наносекунд.
Всего система CSC включает более 500 мюонных камер, которые содержат около 2.5 миллионов проволок, сгруппированных в ~211 000 анодных каналов считывания. Кроме того, имеется ~270 000 катодных каналов. Из катодные полосковых камер формируются мюонные станции (ME1-ME4) (см. рис.8 ). Полная площадь, покрываемая катодными полосковыми камерами, составляет приблизительно 1000 м2. Камеры с резистивными пластинами
На CMS установлены двухзазорные камеры с резистивными пластинами, работающими в лавинном режиме. Основная их задача − служить быстрыми триггерами для мюонной системы. Время между последовательными пересечениями банчей LHC 25 нс. Малое время отклика (~нс) RPC позволяет однозначно связать конкретное событие пересечения банчей с мюонным треком в условиях высокой загрузки и большого фона, характерных для LHC. Сигналы с RPC обеспечивают измерение времени и координат (Δx ~ 1 см) с точностью достаточной, чтобы эффективно производить отбор интересующих событий в условиях, когда потоки могут достигать 103 Гц/см2. Модуль RPC (рис. 15) содержит 4 диэлектрические пластины (бакелит), толщиной 2 мм каждая. Между ними − два газовых (C2h3F4 + iso-C4h20 + SF6) промежутка толщиной 2 мм. Бакелитовые пластины служат электродами. Считывание сигнала осуществляется стрипами, которые расположены между парами бакелитовых пластин. Когда мюон пролетает через газовый промежуток, в нем возникает электронная лавина, которая попадая на анод индуцирует заряд на считывающем стрипе. Так как бакелитовые аноды расположены по обеим сторонам стрипов, сигналы суммируются. RPC расположены как в цилиндрической, так и в торцевой части детектора (см. рис. 8). В цилиндрической части детектора камеры с резистивными пластинами установлены в виде 6 коаксиальных цилиндров, окружающих ось пучка. Они расположены параллельно модулям дрейфовых трубок. В торцевой части эти камеры размещены на 3-х параллельных дисках. Камеры выполнены в форме трапеций и перекрываются по азимутальному углу, обеспечивая непрерывное покрытие. В состав детекторного комплекса CMS входит также калориметр CASTOR. Литература |
nuclphys.sinp.msu.ru
Материал по астрономии по обсерваториям
список обсерваторий:
Важнейшие открытия
Направление исследований
http://www.inasan.ru/education/noc/
Институт Астрономии Российской академии наук
Первым крупным проектом стала работа по созданию "Общего каталога переменных звезд" (ОКПЗ), начатая по поручению Международного астрономического союза в 1946 г. под руководством П.П. Паренаго и Б.В. Кукаркина. Первое издание Каталога вышло в 1947 г., второе - в 1958 г., третье - в 1969-1971 гг. К настоящему времени завершена публикация уже четвертого издания ОКПЗ в 5ти томах.
Полеты первых спутников сильно изменили наши представления о структуре верхней атмосферы Земли. В 1963 г. Астросовет в рамках сотрудничества академий наук социалистических стран организовал наблюдения низкоорбитальных ИСЗ по программе "Интеробс". Результатом этой программы стало обнаружение внезапных кратковременных вариаций плотности атмосферы на высотах 300-500 км.
1)работа над разрабатываемому в ИНАСАН космическому проекту "Спектр-УФ" , а также по теме "Астероидно-кометная опасность".
2)наблюдения искусственных спутников Земли (ИСЗ), подготовка к которым началась еще до запуска первого спутника. Сотрудники Астросовета под руководством А.Г. Масевич организовывали тренировки наблюдателей, занимались подготовкой специальных станций для визуальных наблюдений ИСЗ. К 1 октября 1957 г. под руководством Астросовета на территории СССР было создано 66 таких станций. В 1966 г. Астросовет приступил к созданию международной сети наблюдений ИСЗ. Для нее разрабатывалась специальная аппаратура, по договорам с зарубежными научными организациями создавались наблюдательные пункты. К 1975 г. таких пунктов в Евразии, Африке и Южной Америке было уже 28.
На них был выполнен огромный объем визуальных и фотографических, а позднее и лазерных наблюдений ИСЗ, которые использовались для исследований в области геодезии, геодинамики и геофизики. В 1961 г. Астросовет совместно с Пулковской обсерваторией (ГАО АН СССР) организовал первый в мире эксперимент по спутниковой геодезии. Кроме того, созданная Астросоветом сеть пунктов послужила основой для реализации первой глобальной геодезической программы "Большая хорда" (см.рис. ниже). К середине 80-х годов большинство станций, выполнивших свои задачи, было закрыто, а их оборудование передано университетам и другим учебным заведениям.
Активно развивались исследования по проблемам солнечной активности и физике Луны. Начиная с 1966 г. Астросовет совместно с Гидрометцентром СССР проводил исследования по физике солнечно-земных связей. В начале 1960-х гг. под руководством А.Г. Масевич в Астросовете была создана группа по исследованию физики и эволюции звезд, в 1970-е гг. начались работы по моделированию эволюции тесных двойных звездных систем и звездных пульсаций. В 1967 г. по предложению Э.Р. Мустеля начались исследования в области звездной спектроскопии и нестационарных звезд. С 1980 г. ведется работа по изучению закономерностей процесса звездообразования на различных пространственно-временных масштабах - от галактик в целом до одиночных звезд.
АБАСТУМАНСКАЯ АСТРОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ
Сотрудниками обсерватории опубликованы каталоги физических характеристик звезд и других галактических объектов.
1)ведутся разнообразные исследования Гала
infourok.ru
Детектор LHCb • Устройство Большого адронного коллайдера
LHCb — крупный детектор, оптимизированный для изучения B-мезонов, то есть частиц, содержащих b-кварк (так называемый «прелестный» кварк). Именно на это указывает буква «b» в названии эксперимента, которое полностью расшифровывается как «Large Hadron Collider beauty experiment».
Самое интересное в изучении B-мезонов — то, что в них сильнее всего проявляется очень важное, но до сих пор плохо изученное явление — нарушение CP-симметрии (именно за него дали половину Нобелевской премии по физике в 2008 году). Это явление приводит к тому, что картина распадов частиц и античастиц слегка различается. Это, в свою очередь, имеет прямое отношение к происхождению нашего мира, к ответу на вопрос «как так получилось, что вещество в нашей Вселенной стало доминировать над антивеществом?».
Интересно, что всё это лаконично поместилось на логотип детектора: здесь есть и само название, и его симметричное отражение, но оно слегка нарушено красной чертой, которая как бы перечеркивает буквы «CP», намекая на его несохранение.
Устройство детектора
В отличие от крупнейших детекторов ATLAS и CMS, которые со всех сторон окружают место столкновения протонов (то есть обладают высокой «герметичностью»), детектор LHCb имеет вид конуса, на острие которого происходят столкновения встречных пучков. Он может отслеживать лишь те частицы, которые вылетают под небольшим углом (не более 15 градусов) к оси пучка. В остальном детектор не уступает своим «старшим» собратьям: его длина составляет 21 метр, а масса — 5600 тонн.
Детектор LHCb многослойный, и последовательность слоев у него в целом стандартная. Однако из-за того, что перед ним поставлена вполне конкретная задача (изучение B-мезонов), отдельные компоненты детектора оптимизированы для ее решения.
Общий вид детектора показан на рис. 2. Горизонтально через весь детектор проходит вакуумная труба. Столкновения протонов происходят в самой левой части рисунка. Частицы, вылетевшие направо под небольшим углом, проходят последовательно через вершинный детектор VELO, первый черенковский счетчик RICH-1, отклоняются в магнитном поле большого магнита, проходят через последовательность трековых детекторов, затем через второй черенковский счетчик RICH-2. За ним стоят электромагнитный и адронный калориметры, и, наконец, последним слоем идут мюонные камеры.
Ближе всего к месту столкновения протонов расположен вершинный детектор, называемый VELO (от англ. «VErtex LOcator»). Он имеет совершенно особый дизайн, напоминающий нечто среднее между обычными вершинными детекторами, как на детекторе ATLAS и CMS, и детекторами Roman Pots. Он состоит из нескольких слоев полупроводниковых пиксельных детекторов, изготовленных в форме полукруга и установленных на двух подвижных кронштейнах. Сами кронштейны расположены не снаружи вакуумной трубы, а внутри нее; пиксельные детекторы при этом ставятся не параллельно, а перпендикулярно пучку. Когда пучок нестабильный, кронштейны раздвинуты, чтобы пучок не прожег детекторы насквозь, а когда пучок стабилизирован, они придвигаются к оси пучка на расстояние 5 мм. Благодаря такой близости к месту столкновения протонов детектор может восстановить положение вершины с точностью 10 микрон.
За вершинным детектором следует специальный детектор, предназначенный для идентификации частиц. Хорошая идентификация частиц чрезвычайно важна для эксперимента LHCb, поскольку позволяет надежно восстанавливать сложные цепочки распада B-мезонов.
Идентификация частиц в детекторе LHCb осуществляется двумя черенковскими детекторами RICH (от англ. «Ring Imaging CHerenkov Detector»), один из которых стоит сразу после VELO, а второй чуть дальше, после магнита и трекового детектора. В детекторе RICH заряженная частица летит сквозь камеру, заполненную прозрачным веществом, и порождает вспышку света в направлении, которое зависит от скорости частицы. Этот свет отражается с помощью системы зеркал и попадает на матрицу чувствительных элементов; по положению световой вспышки на этой матрице можно вычислить скорость частицы.
Черенковский детектор, более близкий к вершине, заполнен газом C4F10 и кварцевым аэрогелем — твердым, но чрезвычайно легким (всего в пару раз тяжелее воздуха!) веществом, который называют часто «твердым дымом». Имея коэффициент преломления в районе 1,01–1,10, аэрогель позволяет хорошо измерять скорости в диапазоне 0,95–0,99 от скорости света, то есть хорошо идентифицировать частицы с небольшой энергией, порядка нескольких ГэВ. Газы имеют коэффициент преломления порядка 1,001, что удобно для измерения скорости частиц средних энергий и высоких энергий, от нескольких десятков до сотен ГэВ.
Между двумя черенковскими детекторами расположен массивный 1600-тонный изогнутый магнит, создающий магнитное поле порядка 1 тесла. Причудливая форма магнита, напоминающая две раскрытые челюсти, выбрана для того, чтобы магнитное поле было как можно более однородным. Траектории заряженных частиц искривляются в этом поле, их радиус кривизны можно измерить с помощью трековых детекторов, которые стоят непосредственно за магнитом, и отсюда вычислить импульс частицы. Для частиц с энергией вплоть до 200 ГэВ погрешность в измерении импульса не будет превышать 0,4%.
Следующими, как обычно, стоят калориметры, измеряющие энергию частиц. Калориметрическая система детектора LHCb состоит из четырех слоев. Вначале частица проходит через сцинтилляционную пластинку и пластину предливневого детектора. Эти две тонкие пластинки позволяют разобраться с тем, что за частица (электрон, одиночный фотон или два близких фотона, получившихся из распада нейтрального пи-мезона) попала в калориметр. Делать это необходимо до того, как эта частица породит электромагнитный ливень, который будет выглядеть одинаково для всех трех вариантов. Затем расположены сами калориметры, электромагнитный и адронный, составленные из чередующихся плиток поглотителя (свинец или железо) и сцинтиллятора. На задней части калориметров смонтированы фотоумножители, собирающие сцинтилляционный свет, на основе которого вычисляется энергия частицы. Из-за своих внушительных поперечных размеров, около 7 метров, калориметры сзади выглядят буквально как стена электроники (см. рис. 5).
Наконец, самыми последними стоят мюонные камеры. Быстрое детектирование мюонов и аккуратное измерение их параметров — важнейший элемент детектора LHCb, поскольку мюоны рождаются во многих распадах B-мезонов, чувствительных к CP-нарушению. Мюонная система детектора состоит из почти полутора тысяч многопроволочных пропорциональных камер, которые организованы в пять прямоугольных «станций», а полная их площадь составляет 435 кв. метров.
Информация о наличии мюонов с достаточно большим поперечным импульсом используется в первичном триггере детектора, на основании которого из всего потока событий выбираются только потенциально интересные и записываются на диск для последующего анализа. Не стоит, однако, думать, что следы искомых процессов распада B-мезонов будут лежать на поверхности. Для примера на рис. 6 показана смоделированная картина рождения и распада Bs-мезона на J/ψ- и φ-мезоны. Следы этой реакции теряются среди многочисленных вторичных адронов, родившихся в том же столкновении протонов, что и Bs-мезон. Однако благодаря мюонам (синие линии) можно узнать, что в этом событии произошло что-то интересное, и дать сигнал для его записи.
Коллаборация
По состоянию на 2006 год коллаборация LHCb насчитывала более 650 ученых из 48 института 13 стран мира.
Дополнительная литература:
- Public LHCb page — страница детектора для широкой публики; LHCb — технические страницы детектора.
- The LHCb Detector at the LHC // Journal of Instrumentation, 3 S08005 (2008) — технический обзор эксперимента.
- Progress reports of the LHCb experiment — подборка обзоров и отчетов, о статусе детектора в разные моменты времени.
- LHCb Posters — плакаты про детектор LHCb.
elementy.ru
Детекторы на LHC • Устройство Большого адронного коллайдера
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.
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.
Подробнее про устройство детектора ATLASПодробнее про устройство детектора CMS
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.
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.
Подробнее про устройство детектора ALICEПодробнее про устройство детектора LHCb
Форвард-детекторы
Все четыре основных детектора являются полноценными независимыми экспериментами. В дополнение к ним на LHC будут работать и несколько экспериментов-спутников. Они будут осуществляться с помощью так называемых форвард-детекторов. Это детекторы скромных размеров, которые не охватывают целиком место столкновения частиц, а расположены на некотором отдалении от него, но близко к оси пучков. Такие детекторы устанавливаются рядом с двумя крупными детекторами и отлавливают частицы, которые вылетают под очень малыми углами к оси столкновения и поэтому не могут быть зарегистрированы в основном детекторе.
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 1017 эВ.
Подробнее про эксперимент TOTEMПодробнее про эксперимент LHCf
Дополнительная литература:
elementy.ru
Детектор CMS не подтверждает сильную асимметрию, найденную на Тэватроне
21 июля на сайте ЦЕРНа появилась статья коллаборации CMS, в которой сообщается об исследовании дисбаланса в рождении топ-кварков и их антикварков на Большом адронном коллайдере (топ–антитоп-асимметрия). Интерес к этому исследованию связан с тем, что полгода назад детектор CDF, работающий на коллайдере Тэватрон, показал аномально сильную топ–антитоп-асимметрию, доходящую иногда до 50%. Стандартная модель предсказывает для Тэватрона гораздо меньшее значение, на уровне нескольких процентов. Этот дисбаланс между топ-кварками и антикварками, ставший одной из главных загадок коллайдера Тэватрон, подкинул теоретикам повод для фантазий — многие из них увидели в этих данных проявление физики за пределами Стандартной модели.
Аналогичный эффект на LHC заметить намного труднее. Дело в том, что на Тэватроне столкновения изначально несимметричны: с одной стороны прилетает протон, с другой — антипротон. Поэтому при рождении топ–антитоп-пары у каждого из кварков имеется предпочтительная полусфера направлений вылета. На LHC столкновения симметричны: с обеих сторон прилетают протоны. Поэтому дисбаланс между топ-кварками и их антикварками выглядит иначе — не как асимметрия «вперед-назад», а как предпочтение для кварков вылетать под чуть меньшими углами к оси реакции, чем для антикварков. Этот эффект заметно слабее: Стандартная модель предсказывает для LHC асимметрию на уровне 1%. Тем не менее почти сразу стало ясно, что, если большая асимметрия, найденная на Тэватроне, реальна, LHC сможет ее обнаружить уже в течение этого года на статистике 1–2 fb–1. Более того, в мае в ЦЕРНе прошла мини-конференция, целиком посвященная обсуждению этой загадки и возможностям LHC по ее решению.
И вот сейчас, после обработки статистики, отвечающей интегральной светимости 1,09 fb–1, коллаборация CMS сообщает, что никакой аномально сильной асимметрии она не видит. Измеренное значение асимметрии получается отрицательным, на уровне –1,5%, что в пределах погрешностей (около 4%) не отличается от предсказаний Стандартной модели даже при больших инвариантных массах топ–антитоп-пар (см. рисунок). Впрочем, представленные данные пока предварительны. Коллаборация CMS не утверждает, что ее результаты закрывают находку CDF, а лишь говорит, что никакого резкого усиления асимметрии пока не видно. Потребуется более кропотливая обработка данных для того, чтобы количественно охарактеризовать расхождение между результатом CDF и CMS.
В целом, можно отметить занятную тенденцию последних месяцев: Тэватрон наблюдает загадочные явления одно за другим, а LHC методично их не подтверждает. Остается лишь надеяться, что некоторые из загадок всё же выживут и превратятся в настоящие проявления Новой физики.
elementy.ru
Детектор ATLAS • Устройство Большого адронного коллайдера
Общее устройство детектора ATLAS следует классической схеме многоцелевого детектора в коллайдерных экспериментах. Он состоит из компактного внутреннего детектора, в котором отслеживаются траектории частиц, за ним следуют калориметры, измеряющие их энергию, а снаружи расположены мюонные детекторы. На рис. 1 показан общий вид детектора ATLAS в разрезе.
Самая впечатляющая характеристика ATLAS — это его размер. Даже по современным меркам это огромный детектор. Его длина составляет 43 метра, а диаметр — 22 метра. Впрочем, благодаря достаточно ажурной конструкции, полный вес детектора не столь велик, как у CMS, — всего 7 тысяч тонн.
Внутренний детектор
Внутренняя часть ATLAS содержит несколько слоев детекторов для идентификации частиц и точного измерения их траекторий (см. рис. 2).
Ближе всего к трубе расположен пиксельный детектор. Он состоит из трех цилиндрических слоев и нескольких торцевых пластинок. Все они покрыты почти двумя тысячами отдельных чувствительных матриц по 46 тысяч пикселов на каждой, причем каждая матрица оснащена своей считывающей электроникой. Всего детектор насчитывает 80 миллионов пикселов, расположенных на общей площади 1,7 кв. метра; размер каждого пиксела — около 50 на 400 микрон, а пространственное разрешение 14 на 115 микрон. Полное энергопотребление пиксельного детектора составляет 15 кВт. Вся эта электроника должна будет несколько лет проработать в условиях жесткой радиации.
Следующим идет восьмислойный полупроводниковый трековый детектор, который тоже восстанавливает траектории частиц на расстояниях вплоть до полуметра от оси столкновения. Общая площадь чувствительных элементов составляет 60 кв. метров. В дополнение к нему имеются и торцевые трековые детекторы, которые покрывают область по быстроте вплоть до 2,5. Благодаря тому, что магнитное поле искривляет траекторию частиц, с помощью трекового детектора можно с хорошей точностью восстановить их импульс.
Наконец, третий компонент внутреннего детектора ATLAS — трековый детектор переходного излучения. Этот детектор состоит из нескольких сотен тысяч длинных тонких полых трубок, называемых «соломинками» (англ. “straw”). Каждая соломинка имеет диаметр 4 мм и длину больше метра; она заполнена газовой смесью (ксенон, углекислый газ, кислород) и содержит внутри тончайшую покрытую золотом вольфрамовую нить — анод. Внутренняя поверхность соломинки покрыта проводящим слоем, который служит катодом; напряжение между катодом и анодом составляет несколько киловольт. От каждой соломинки идет электронный канал считывания (всего их 420 тысяч), точность восстановления координаты вдоль соломинки составляет 0,17 мм.
Калориметры
Электромагнитный (внутренний) калориметр детектора ATLAS представляет собой «гармошку», сложенную из многочисленных тонких гофрированных пластин металла-поглотителя. В зазорах между ними находится жидкий аргон при температуре около 90 К, который служит чувствительным материалом. Пролетающая сквозь калориметр заряженная частица порождает в нём электромагнитный ливень, который ионизирует аргон, и эта ионизация тут же, в зазоре, собирается датчиками.
Внешний, адронный калориметр состоит из нескольких десятков клиньев, более 5 метров длиной и весом 20 тонн каждый. Каждый клин имеет мозаичную структуру — в нём пластинки поглотителя чередуются с пластинками органический сцинтиллятора. Адронный ливень, порожденный пролетающим адроном, вызывает свечение сцинтиллятора, которое регистрируется фотоумножителями и превращается в электрический сигнал.
Мюонный спектрометр
Мюоны детектируются в мюонном спектрометре, который использует газовые мюонные трубки — они похожи на соломинки детектора переходного излучения, только гораздо большего диаметра. Вся конструкция из мюонных трубок имеет впечатляющие размеры: радиус цилиндрических слоев — 5, 7,5 и 10 м, а торцевые диски разнесены на расстояние вплоть до 21,5 м от центра детектора. При этом для обеспечения высокой точности измерения траекторий мюонов необходимо знать положение мюонных трубок в пространстве с погрешностью не более 30 микрон, что в миллион раз меньше самих размеров мюонной системы!
Магнитные системы
В детекторе ATLAS имеется три типа магнитов, создающих магнитное поле для искривления траектории частиц и измерения их импульса. Все они сверхпроводящие и работают при криогенных температурах.
Внутренний детектор помещен в относительно небольшой центральный соленоид — полый цилиндр длиной 5 метров и диаметром 2,4 метра; толщина его стенок составляет всего 4,5 сантиметра. В нём течет ток силой 7,7 кА, который создает внутри магнитное поле индукцией 2 тесла.
Магнитное поле, в котором искривляется траектория мюонов, обеспечивается ажурной конструкцией из восьми наружных сверхпроводящих тороидальных магнитов (см. рис. 5). В обмотке каждого из них течет ток 20 кА, который создает в пространстве магнитное поле неоднородной силы со средней индукцией около 0,5 тесла. Каждый из магнитов имеет 25 метров в длину, а внешний диаметр всей структуры достигает 20 метров. Похожая магнитная структура чуть меньшего размера установлена также на торцах детектора для отклонения мюонов, вылетающих под малыми углами к оси пучков.
Система сбора данных
Для предварительного отбора «интересных» столкновений используется трехуровневая система триггеров. Первичный триггер — это большая фабрика из специально изготовленных процессоров, причем отбор идет на уровне «железа». Первичный триггер пропускает дальше примерно одно из 400 событий. Прошедшие события анализируются вторичным и третичным триггерами, которые оценивают события уже программным образом. В качестве этих триггеров выступают «фабрики» из почти двух тысяч компьютеров. Они пропускают примерно одно из 450 событий. В результате, при номинальной частоте столкновений 40 МГц, интересные события поступают со средней частотой 200 Гц. Каждое из этих событий составляет около полутора мегабайт информации, и оно записывается для дальнейшего анализа. Для анализа событий и проведения моделирования в распоряжении участников коллаборации ATLAS имеется 36 тысяч компьютеров по всему миру.
Коллаборация
По состоянию на август 2008 года, коллаборация насчитывала 2100 ученых из 167 научных организаций 37 стран мира. С российской стороны в эксперименте принимают участие сотрудники сразу нескольких организаций: ОИЯИ в Дубне, ИТЭФ, ФИАН, НИИЯФ МГУ, МИФИ в Москве, ИФВЭ в Протвино, ПИЯФ в Санкт-Петербурге, ИЯФ СО РАН в Новосибирске.
Дополнительная литература:
Вышли статьи про распад бозона Хиггса на b-кварки
03.09
ATLAS и CMS продолжают изучение бозона Хиггса в сеансе Run 2
21.08
Коллаборация ATLAS свела воедино все поиски тяжелых резонансов
15.08
ATLAS внедряет автоматизированный поиск Новой физики
06.08
ICHEP 2018: тяжелых двухбозонных резонансов не видно и в данных 2017 года
12.07
ICHEP 2018: детектор ATLAS почти добрался до редкого распада бозона Хиггса
07.07
LHCb не подтверждает реальность мезона, открытого ATLAS
22.03
ATLAS представила стостраничный отчет о свойствах хиггсовского бозона
05.03
ATLAS и CMS расширили область масс, доступную для поиска новых частиц
02.03
ATLAS пытается отловить распад бозона Хиггса на очарованные кварки
27.02
Все новости ATLASelementy.ru
Детектор CMS видит намеки на распад, невозможный в Стандартной модели
Практически все свойства хиггсовского бозона, изученные на Большом адронном коллайдере за первые годы работы, оказались удручающе стандартными. Даже двухфотонный распад, который на первых порах вызывал большой энтузиазм физиков, тоже в конце концов стал вписываться в предсказания Стандартной модели. Однако кое-какие загадки в измеренных свойствах хиггсовского бозона всё еще остались.
Одна из них — это любопытные данные детектора CMS относительно распада бозона Хиггса на мюон и тау-лептон (μ+τ– или μ–τ+). В рамках Стандартной модели такой распад невозможен. Хиггсовское поле не может менять тип лептонов, а значит, бозон Хиггса может распадаться лишь на лептон-антилептонную пару одинакового типа (электрон-позитрон, мюон-антимюон или тау-антитау). Зато процессы с нарушением сорта лептонов предсказываются некоторыми неминимальными хиггсовскими моделями. Надежная регистрация такого процесса стала бы первым намеком на Новую физику, священный Грааль современной физики частиц.
Летом 2014 года коллаборация CMS сообщила о первых намеках на обнаружение этого распада. Тогда это были лишь предварительные данные, которые потребовали еще нескольких месяцев для перепроверки. Две недели назад наконец-то появилась полноценная статья CMS. Исследователи сообщают, что после всестороннего анализа сохраняется небольшое превышение данных над фоном, вызванным обычными процессами или несовершенством детектора. Если это превышение интерпретировать как распад бозона Хиггса на пару μ+τ– или μ–τ+, то его вероятность получается чуть меньше процента: (0,84+0,39–0,3)%. Статистическая значимость этого эффекта невелика — всего 2,4 стандартных отклонения, поэтому ни о каком серьезном открытии речи пока что нет. Отсутствует также и подтверждения от коллаборации ATLAS: она об этом поиске пока не отчиталась.
Тем не менее этот возможный намек на физику за пределами Стандартной модели задает теоретикам возможное направление исследований. В последнее время появилось несколько работ (1, 2, 3, 4), в которых в рамках Новой физики объясняются не только эти данные CMS, но и некоторые аномалии в распадах B-мезонов. Разумеется, прежде чем начать претендовать на реальное описание природы, все эти модели должны пройти проверку будущими данными LHC. Вполне возможно, что ситуация начнет проясняться уже к концу этого года.
elementy.ru
