Το Πείραμα Atlas στο LHC Ιωάννα Μαυροπούλου 09102256 Υπεύθυνος Καθηγητής: Παπαδοπούλου Θ.

LHC Πριν την εισαγωγή στον επιταχυντή τα σωματίδια παιρνούν από κατάλληλη επεξεργασία για να απoκτήσουν αρχική ενέργεια 450GeV που με την επιτάχυνση θα φτάσει στα 7ΤeV 5 πειράματα θα γίνουν κατά τη λειτουργία του LHC: ATLAS, CMS, LHCb, ALICE και TOTEM 14TeV ενέργεια στο κέντρο μάζας και φωτεινότητα Ο μεγαλύτερος επιταχυντής –κυκλικός- στοιχειωδών σωματιδίων που βρίσκεται στο CERN,Γενεύη Προγραμματισμένος να λειτουργήσει το 2007 Θα πραγματοποιούνται συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου και βαρεών ιόντων Αποτελεί αποτέλεσμα μιας συνεργασίας επιστημόνων απ’όλο τον κόσμο(34 χώρες λαμβάνουν μέρος) 27km περίμετρο

Αεροφωτογραφία του LHC - CERN(Γενεύη,Ελβετία)

Τα 5 πειράματα στο LHC ATLAS - A Toroidal LHC Apparatus - Ένας ανιχνευτής γενικού ενδιαφέροντος που κατασκευάστηκε για να μετρήσει φαινόμενα σωματιδίων μεγάλης μάζας CMS - Compact Muon Solenoid – Επίσης ένας ανιχνευτής γενικού ενδιαφέροντος που θα εξερευνήσει τη φυσική στην κλίμακα του ΤeV ALICE – A Large Ion Collider Experiment – Προορίζεται για τη μελέτη των συγκρούσεων βαριών ιόντων ΤΟΤΕΜ – Total Cross section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC – Μελέτη των ελαστικών σκεδάσεων των σωματιδίων LHCb – Large Hadron Collider beauty – Μέτρηση των παραμέτρων της CP violation στις αλληλεπιδράσεις των b-αδρονίων(βαριά σωματίδια που περιέχουν το bottom quark)

CMS, ALICE, ATLAS, LHCb, TOTEM

A Toroidal LHC ApparatuS

45m μήκος 25m διάμετρος 7000t βάρος

O ανιχνευτής ATLAS Ξεκίνησε το 1992 ως δύο ξεχωριστά πειράματα , το EAGLE (Experiment for Accurate Gamma Lepton and Energy Measurements) και το ASCOT (Apparatus with SuperCOnducting Toroids), τα οποία ένωσαν δυνάμεις και με τη για να κατασκευαστεί ένας γενικού ενδιαφέροντος ανιχνευτής. Ο μεγαλύτερος και πιο σύνθετος ανιχνευτής που έχει ποτέ κατασκευαστεί Σχεδιάστηκε για να μπορεί να μετράει την μεγαλύτερη δυνατή έκταση σημάτων Συνεργασία 1850 επιστημόνων και μηχανικών από 175 πανεπιστημιακά ιδρύματα από 34 χώρες

Στόχοι του ATLAS Επιβεβαίωση ή καλύτερες μετρήσεις του Καθιερωμένου Προτύπου Έρευνα για καινούργιες φυσικές θεωρίες/νέα μοντέλα φυσικής Το σωματίδιο Higgs (το οποίο δίνει μάζα στα στοιχειώδη σωματίδια) CP violation (ασυμμετρία μεταξύ της ύλης και αντι-ύλης) Περισσότερο ακριβείς μετρήσεις της μάζας του top quark και των αλληλεπιδράσεων του με άλλα σωματίδια Μέτρηση της μάζας του W μποζονίου με διπλάσια ακρίβεια απ’όση είχα μέχρι σήμερα επιτευχθεί Σπάσιμο της υπερσυμμετρίας (που θα δώσει πολλές απαντήσεις σε ερωτήματα της θεωρητικής φυσικής και υπάρχει σε όλα τα μοντέλα της θεωρίας των χορδών)

Στόχοι του ATLAS Ανίχνευση μικρών μελανών οπών (αν το σύμπαν περιέχει επιπλέον διαστάσεις) οι οποίες θα διασπαστούν αμέσως με τη Hawkings Radiation και θα παράγουν όλα τα σωματίδια από το Καθιερωμένο Πρότυπο σε ίσες ποσότητες και θα αφήσουν μια αδιαμφισβήτητη υπογραφή στον ανιχνευτή

Τα μέρη του ανιχνευτή Σωλήνας Δέσμης Ο Εσωτερικός ανιχνευτής Τα Καλορίμετρα Ανιχνευτές Μιονίων Το Σύστημα Μαγνητών

Σωλήνας Δέσμης Είναι ο σωλήνας που θα διατρέχει κατά μήκος το κέντρο του ανιχνευτή μέσα στον οποίο τα πρωτόνια θα επιταχύνονται και θα συγκρούονται . Σε κάθε δέσμη θα έχουμε 2808 «πακέτα» πρωτονίων,δηλαδή σε κάθε πακέτο υπάρχουν 100 δις πρωτόνια Σε κάθε συνάντηση δύο πακέτων έχουμε 23 γεγονότα στον ανιχνευτή Γεγονότα κάθε 25 nsec

Εσωτερικός ανιχνευτής Ξεκινά λίγα εκατοστά μακριά από τον άξονα της δέσμης πρωτονίων σε μια ακτίνα 1,2m και σε μήκος 7m. Κύρια λειτουργία του να ανιχνεύει τα φορτισμένα σωματίδια. Αποτελείται από τα εξής μέρη: Pixel Detector Semi-conductor tracker (SCT) Transition Radiation Tracker

1. Pixel Detector Έχει 3 στρώματα και 3 δίσκους σε κάθε καπάκι του. Αποτελείται από 1744 κομμάτια(modules) το καθένα 2cm x 6cm To υλικό του είναι 250μm πάχους πυρίτιο(Si) Κάθε ένα από τα 1744 κομμάτια του ανιχνευτή περιέχει 16 chips που δίνουν πληροφορίες καθώς και κάποια άλλα ηλεκτρονικά εξαρτήματα . Η μικρότερη μονάδα που μπορεί διαβαστεί είναι ένα pixel(50 x 400μm) και σε κάθε κομμάτι υπάρχουν 47.000pixels. O συνολικός αριθμός των καναλιών που μας δίνουν πληροφορίες είναι 80 εκατομμύρια (το 50% των συνολικών καναλιών ολόκληρου του ανιχνευτή). Θα μας δώσει πληροφορίες με μεγάλη ακρίβεια εξαιτίας της θέσης του (πολύ κοντά στο σημείο αλληλεπίδρασης). Το μικρό μέγεθος των pixel σχεδιάστηκε έτσι ώστε να γίνεται ανίχνευση με εξαιρετικά μεγάλη ακρίβεια πολύ κοντά στο σημείο σύγκρουσης της δέσμης.

1. Pixel detector και pixel module 50x400μm

2. Semi-conductor tracker Αποτελεί το μεσαίο μέρος του εσωτερικού ανιχνευτή Παρόμοιος σε λειτουργίες και ιδέα με τον pixel detector με τη διαφορά ότι αντί για κομμάτια pixel αποτελείται από μακριές στενές λωρίδες πυριτίου (80μm x 12,6cm) Είναι το πιο κρίσιμο σημείο του inner detector για βασική ανίχνευση στο κάθετο επίπεδο της δέσμης Aποτελείται από 4 διπλά στρώματα λωρίδων πυριτίου Τα κανάλια που δίνουν πληροφορίες είναι 6,2 εκατομμύρια. Η συνολική του επιφάνεια είναι 61 m².

2. Semi-conductor detector

3.Trasition Radiation Tracker Eίναι τo εξωτερικό μέρος του inner detector Αποτελεί ανιχνευτής ακτινοβολίας που εκπέμπεται από τα σωματίδια και σωλήνας-ανιχνευτής Τα στοιχεία που τον συνθέτουν είναι πολλοί μικροί σωλήνες (ο καθένας 4mm διάμετρο και μήκος 144cm ), 351.000 σε αριθμό. Δίνει μια πιο ευρεία ανάλυση από τα άλλα δύο μέρη του ανιχνευτή. Κάθε σωλήνας γεμίζεται με αέριο που μόλις περάσει ένα φορτισμένο σωματίδιο αυτό ιονίζεται. Έτσι δημιουργείται ένα ρεύμα από τα ιόντα που κινούνται προς το υψηλής τάσης καλώδιο στο κέντρο του σωλήνα και με τον συνδυασμό όλων των σημάτων που δημιουργούνται προσδιορίζεται η τροχιά του σωματιδίου.

3. Transition Radiation Tracker H ποσότητα της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας έιναι μεγαλύτερη σε σωματίδια με σχετικιστικές ταχύτητες. Σωματίδια συγκεκριμένης ενέργειας όσο πιο ελαφριά είναι τοσο μεγαλύτερη ταχύτητα έχουν (άρα τα ηλεκτρόνια -τα πιο ελαφριά φορτισμένα- μπορούν να αναγνωριστούν εδώ ως τα σωματίδια με το ισχυρότερο σήμα)

Καλορίμετρα Τα καλορίμετρα είναι τοποθετημένα μετά τον σωληνοειδή μαγνήτη που βρίσκεται γύρω απ’τον εσωτερικό ανιχνευτή. Μετράνε το ποσό της ενέργειας κάθε σωματιδίου απορροφόντας την. Στο πείραμά μας είναι τοποθετημένα δύο είδη: Ηλεκτρομαγνητικό Καλορίμετρο Αδρονικό Καλορίμετρο

1.Ηλεκτρομαγνητικό Καλορίμετρο Σκοπός τους είναι να απορροφούν την ενέργεια των σωματιδίων που αλληλεπιδρούν ηλεκτρομαγνητικά δηλαδή τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνια. Το υλικό που απορροφά την ενέργεια είναι μόλυβδος (Pb)(1,5mm πάχος) ,και εκεί προκαλείται βροχή σωματιδίων, και το υλικό που ανιχνεύει το σήμα αυτό είναι υγρό αργό. Απαραίτητα είναι η παρουσία κρυοστάτη γύρω από το Ηλεκτρομαγνητικό Καλορίμετρο για να κρατάει τη θερμοκρασία του χαμηλή. Έχει μεγάλη ακρίβεια και στο ποσό της ενέργειας που ανιχνεύει αλλά και στο σημείο που η ενέργεια αυτή εναποτέθηκε.

1.Ηλεκτρομαγνητικό Καλορίμετρο

2. Αδρονικό Καλορίμετρο Αδρόνια είναι τα ισχυρά αληλεπιδρώντα σωμάτια που είναι κατασκευασμένα από δύο τύπους quark: βαρυόνια (3 quark) και μεσόνια (ζεύγος quark - αντίquark). Λειτουργεί με ανάλογο τρόπο όπως το ΗΜ Καλορίμετρο. Είναι ένας μεταλλικός πίνακας με πλάκες-σπινθηριστές που μετασχηματίζουν τις ενέργειες των αδρονίων σε ένα πλήθος σωματιδίων χαμηλής ενέργειας. Το φως που δημιουργείται στους σπινθηριστές μεταφέρεται μέσω οπτικών ινών σε φωτοπολλαπλασιαστές που είναι τοποθετημένοι έξω από το καλορίμετρο.

2.Αδρονικό Καλορίμετρο

Ανιχνευτές Μιονίων Το φασματόμετρο των μιονίων βρίσκεται αμέσως μετά το σύστημα των καλορίμετρων και φτάνει μέχρι την άκρη του ανιχνευτή. Τα μιόνια (σωματίδια σαν τα ηλεκτρόνια μόνο που είναι 200 φορές βαρύτερα) είναι τα μόνα που φτάνουν μέχρι αυτό το μέρος του ανιχνευτή. Προσδιορίζει τις ορμές και τα φορτία των μιονίων με μεγάλη ακρίβεια. Aποτελείται από τα στοιχεία MDTs (Μοnitor Drift Tubes), 3cm σε διάμετρο, που είναι κατασκευασμένοι από αλουμίνιο και περιέχουν αέριο Ar-CO2 σε πίεση 3bar. Έχει 1 εκατομμύριο κανάλια που μας δίνουν πληροφορίες και η συνολική επιφάνειά των ανιχνευτών τους είναι 12.000 m².

Ανιχνευτές Μιονίων

Το Σύστημα Μαγνητών Αποτελείται από 3 υποσυστήματα υπεραγώγιμων μαγνητών: τον κεντρικό σωληνοειδή μαγνήτη,τους 8 μαγνήτες τοποθετημένους κυκλικά γύρω από το κέντρο του ανιχνευτή και τα 2 καπάκια στα άκρα του ανιχνευτή . Δημιουργεί ένα ακριβές, σταθερό και προβλέψιμο μαγνητικό πεδίο. Η καμπύλωση των τροχιών των φορτισμένων σωματιδίων βοηθά στην αναγνώρισή τους.

1.Toroid Magnets και End-caps 8 επίπεδα υπεραγώγιμα πηνία, το καθένα 25m μήκος και 5m πλάτος, τοποθετημένα σε σπειροειδές σχήμα (τα 8 πηνία συγκρατούνται στις θέσεις τους με 16 κυκλικά στηρίγματα). Ολίκο βάρος των πηνίων 830 τόνους, το ρεύμα λειτουργίας 20.500Α και το μέγιστο μαγνητικό πεδίο 4Τ. Tα δύο καπάκια του μαγνήτη παρέχουν μαγνητικό πεδίο σε ένα ακτινικό άνοιγμα από 1,5m μέχρι 5m.

Το μαγνητικό πεδίο

2.Central Solenoid - Kεντρικός Μαγνήτης Σχεδιάστηκε να παρέχει 2 Tesla μαγνητικό πεδίο στο κεντρικό μέρος του ανιχνευτή. Υπεραγώγιμος μαγνήτης με το μικρότερο δυνατό ακτινικό πάχος και σύστημα ψύξης που βρίσκεται σε επαφή με αυτόν και το μοιράζεται με το liquid argon καλορίμετρο. Η αποθηκευμένη ενέργεια του θα είναι 39MJ,το ρεύμα λειτουργίας 7600Α , βάρος 5.6 τόνους, μήκος 5.3m, ακτίνα 1.229m, πάχος 45mm και θερμοκρασία λειτουργίας 4.8Κ.

Σύστημα δεδομένων και ανάλυσής τους Αναγνωρίζει τα πιο ενδιαφέροντα από 40 εκατομμύρια γεγονότα που συμβαίνουν κάθε δευτερόλεπτο και τα ξεχωρίζει. Υπάρχουν στον ανιχνευτή 3 επίπεδα που χρησιμοποιούνται στην συλλογή και ανάλυση δεδομένων,το πρώτο βασίζεται στα ηλεκτρονικά του ανιχνευτή ενώ τα άλλα δύο τρέχουν στο μεγάλο σύστημα υπολογιστών που βρίσκεται κοντά στον ανιχνευτή. Στο πρώτο επίπεδο επιλέγονται 100,000 γεγονότα το δευτερόλεπτο ενώ στο τελευταίο επίπεδο μερικές εκατοντάδες αποθηκεύονται για περαιτέρω μελέτη. Ο αποθηκευτικός χώρος που χρειάζεται για τον τόσο μεγάλο όγκο πληροφοριών είναι περίπου 15 PetaByte το χρόνο. Ένα πολύ σημαντικό κομμάτι για την ανάλυση των δεδομένων είναι η τεχνολογία του Grid computing (υπηρεσία που επιτρέπει το μοίρασμα ενέργειας και αποθηκευτικού χώρου σε ένα δίκτυο υπολογιστών).

Συμμετοχή του ΕΜΠ στο πείραμα ΑTLAS MDT (Monitor Drift Tubes) (1996-1998) Σχεδίαση και κατασκευή πρότυπου θαλάμου Εγκατάσταση στο CERN Λήψη δεδομένων με δέσμη μιονίων Ανάλυση δεδομένων MDT(1999-2003) Σχεδίαση και κατασκευή MDT Έλεγχος με κοσμικές ακτίνες Ανάπτυξη συστήματος αυτόματου ελέγχου Detector Control System (CDS) στο φασματοσκόπιο μιονίων Σχεδίαση και ανάπτυξη λογισμικού-Hardware UNIX REAL TIME KERNEL (VxWORKS)

Συμμετοχή του ΕΜΠ στο πείραμα ΑTLAS EPICS LOCAL CONTROL STATION FIELD BUS Μέτρηση και έλεγχος Θερμοκρασίας θαλάμων Χαμηλή, υψηλή τάση Παράμετροι αερίων ανιχνευτού (ροή,πίεση,σύνθεση) Μαγνητικού πεδίου (συνιστώσες) Τομογράφος ακτίνων Χ Σχεδίαση και κατασκευή Εγκατάσταση Λήψη δεδομένων και ανάλυση

Kατάσταση του πειράματος σήμερα (Progress Report: 25 Απριλίου 2006) Inner Detector: Pixels – Η πορεία του πειράματος αυτού καθυστέρησε εξαιτίας ενός τεχνικού προβλήματος το οποίο αντιμετωπίστηκε άμεσα (διαρροή λόγω φθοράς στους σωλήνες ψύξης του κεντρικού μαγνήτη). Η αποστολή του πρώτου ολοκληρωμένου καπακιού έγινε στα μέσα Μαϊου και ακολούθησαν tests με κοσμικές ακτίνες. Silicon Tracker (SCT) – Kαι οι 4 κύλινδροι είναι έτοιμοι, έχουν φτάσει στο CERN λειτουργεί το 99,7% τους. End-cap SCT- Όλοι οι δίσκοι για τα καπάκια είναι έτοιμοι. Transition Radiation Tracker (TRT) – H κατασκευή του είναι ολοκληρωμένη. Barrel LAr και τα Καλορίμετρα – Έχουν μετακινηθεί στην τελική τους θέση και γίνεται η σύνδεση με τα ηλεκτρονικά.

Kατάσταση του πειράματος σήμερα (Progress Report: 25 Απριλίου 2006) Βarrel MDTs Tα ηλεκτρονικά και η ευθυγράμμισή τους είναι εντός προγράμματος. Μόλις πριν τα Χριστούγεννα τα πρώτα κοσμικάμιόνιακαταγράφηκαν στους σταθμούς που εγκαταστάθηκαν στο κάτω μέρος του φασματόμετρου. Trigger, DAG και Έλεγχος Ανίχνευσης Στα μέσα Απριλίου όλοι οι τομείς του πρώτου από τα 6 TGC έχουν συγκεντρωθεί και 12 από τα 32 MDT είναι ολοκληρωμένα. Σχεδόν το 1/3 του τελικού συστήματος που θα μας δίνει τα δεδομένα έχει φτάσει στον υπόγειο χώρο του πειράματος και έχει εγκατασταθεί στο δωμάτιο ελέγχου. Το πείραμα ATLAS προχωράει με βάση το αναμενόμενο σχέδιο και με τα μέχρι τώρα δεδομένα θα είναι έτοιμο στα μέσα του 2007.

Βιβλιογραφία www.cern.ch www.atlas.ch www.wikipedia.org http://bulletin.cern.ch www.interactions.org http://atlasexperiment.org www.physics.ntua.gr/eesfye/POP/software/hands_on_cern http://ppewww.ph.gla.ac.uk/~moraes/introduction/introduction.html www.staff.uni-mainz.de/wanke/Forschungbericht_2002/sec_atlas.html