Детекторы на LHC

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 ATLAS

Подробнее 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 ALICE

Подробнее 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 TOTEM

Подробнее про эксперимент LHCf

Дополнительная литература:

• Эксперименты на LHC — официальные страницы.
• The CERN Large Hadron Collider: Accelerator and Experiments — специальный выпуск журнала Journal of Instrumentation с подробными обзорами устройства Большого адронного коллайдера и детекторов на нём. Все статьи находятся в свободном доступе
• А. Левин. Лобовое столкновение // «Популярная механика» №11, 2007.