Experiência ATLAS - ATLAS experiment

Grande Colisor de Hádrons
(LHC)
LHC.svg
Experimentos do LHC
ATLAS Um aparelho LHC toroidal
CMS Solenóide de Muon Compacto
LHCb LHC-beleza
ALICE Um grande experimento com colisor de íons
TOTEM Seção transversal total, dispersão elástica e dissociação de difração
LHCf LHC-forward
MoEDAL Detector monopolo e exótico no LHC
MAIS RÁPIDO Experimento de Pesquisa ForwArd
Pré-aceleradores LHC
p e Pb Aceleradores lineares para prótons (Linac 4) e chumbo (Linac 3)
(não marcado) Intensificador de Síncrotron de Prótons
PS Síncrotron de prótons
SPS Super Proton Synchrotron

Coordenadas : 46 ° 14′8 ″ N 6 ° 3′19 ″ E / 46,23556 ° N 6,05528 ° E / 46,23556; 6.05528 ATLAS(A Toroidal LHC ApparatuS) é o maiorexperimento dedetector de partículas deuso geralnoLarge Hadron Collider(LHC), umacelerador de partículasnoCERN(o europeu Organização para Pesquisa Nuclear) na Suíça. O experimento é projetado para aproveitar a energia sem precedentes disponível no LHC e observar fenômenos que envolvempartículasaltamente massivasque não eram observáveis ​​usandoaceleradores debaixaenergiaanteriores. O ATLAS foi um dos dois experimentos do LHC envolvidos na descoberta dobóson de Higgsem julho de 2012. Ele também foi projetado para buscar evidências deteoriasdafísicadepartículasalém doModelo Padrão.

O experimento é uma colaboração envolvendo cerca de 3.000 físicos de 183 instituições em 38 países. O projeto foi liderado durante os primeiros 15 anos por Peter Jenni , entre 2009 e 2013 foi liderado por Fabiola Gianotti , de 2013 a 2017 por David Charlton e por Karl Jakobs de 2017 a 2021. A Colaboração ATLAS é atualmente liderada pelo porta-voz Andreas Hoecker e Porta-vozes adjuntos Marumi Kado e Manuella Vincter .

História

Crescimento do acelerador de partículas

Detector ATLAS em construção em outubro de 2004 no poço experimental. A construção foi concluída em 2008 e o ATLAS vem coletando dados com sucesso desde novembro de 2009, quando a operação do feixe de colisão no LHC começou. Observe as pessoas no fundo, para comparação de tamanho.

O primeiro ciclotron , um dos primeiros tipos de acelerador de partículas, foi construído por Ernest O. Lawrence em 1931, com um raio de apenas alguns centímetros e uma energia de partícula de 1 megaeletronvolt (MeV) . Desde então, os aceleradores têm crescido enormemente na busca pela produção de novas partículas de massa cada vez maior . À medida que os aceleradores cresceram, também cresceu a lista de partículas conhecidas que eles podem ser usados ​​para investigar.

Colaboração ATLAS

Andreas Hoecker, líder do projeto (2021-2023)

A Colaboração ATLAS , o grupo de físicos que construíram e operam o detector, foi formada em 1992 quando as colaborações propostas EAGLE (Experimento para Gama Precisas, Leptões e Medições de Energia) e ASCOT (Aparato com Toróides Super Condutores) uniram seus esforços para construir um detector de partículas único e de uso geral para o Large Hadron Collider.

Projeto e construção do detector

O projeto foi uma combinação dos dois experimentos anteriores e também se beneficiou da pesquisa e do desenvolvimento do detector que foi feito para o Supercondutor Super Colisor . O experimento ATLAS foi proposto em sua forma atual em 1994 e oficialmente financiado pelos países membros do CERN em 1995. Outros países, universidades e laboratórios se juntaram nos anos subsequentes. O trabalho de construção começou em instituições individuais, com os componentes do detector sendo então enviados para o CERN e montados no poço experimental ATLAS a partir de 2003.

Operação do detector

A construção foi concluída em 2008 e o experimento detectou seus primeiros eventos de feixe único em 10 de setembro daquele ano. A coleta de dados foi então interrompida por mais de um ano devido a um incidente de têmpera magnética do LHC . Em 23 de novembro de 2009, as primeiras colisões próton-próton ocorreram no LHC e foram registradas pelo ATLAS, a uma energia de injeção relativamente baixa de 450 GeV por feixe. Desde então, a energia do LHC tem aumentado: 900 GeV por feixe no final de 2009, 3.500 GeV para todo o ano de 2010 e 2011, então 4.000 GeV por feixe em 2012. O primeiro período de coleta de dados realizado entre 2010 e 2012 é referido como Run I. Após um longo desligamento (LS1) em 2013 e 2014, em 2015 o ATLAS viu 6.500 GeV por viga. O segundo período de coleta de dados, Run II, foi concluído no final de 2018 com uma luminosidade integrada registrada de quase 140 / fb. Seguiu-se um segundo longo desligamento (LS2) em 2019 e 2020, enquanto o ATLAS está sendo atualizado para o Run III em 2021.

Programa experimental

Os esquemas, chamados de diagramas de Feynman, mostram as principais maneiras pelas quais o bóson de Higgs do modelo padrão pode ser produzido a partir da colisão de prótons no LHC.

O ATLAS investiga muitos tipos diferentes de física que podem se tornar detectáveis ​​nas colisões energéticas do LHC. Algumas delas são confirmações ou medições aprimoradas do Modelo Padrão , enquanto muitas outras são pistas possíveis para novas teorias físicas.

Modelo Padrão e além

Com a importante exceção do bóson de Higgs , agora detectado pelos experimentos ATLAS e CMS , todas as partículas previstas pelo modelo foram observadas por experimentos anteriores. Embora o modelo padrão preveja que quarks, elétrons e neutrinos devem existir, ele não explica por que as massas dessas partículas diferem em ordens de magnitude. Devido a isso, muitos físicos de partículas acreditam que é possível que o modelo padrão se quebre em energias na escala teraeletronvolt (TeV) ou superior. Se tal física além do Modelo Padrão for observada, um novo modelo, que é idêntico ao Modelo Padrão nas energias até agora sondadas, pode ser desenvolvido para descrever a física de partículas em energias mais altas. A maioria das teorias propostas atualmente prevêem novas partículas de maior massa, algumas das quais podem ser leves o suficiente para serem observadas pelo ATLAS.

Bóson de Higgs

Um dos objetivos mais importantes do ATLAS era investigar uma peça que faltava no modelo padrão, o bóson de Higgs . O mecanismo de Higgs , que inclui o bóson de Higgs, dá massa às partículas elementares, levando a diferenças entre a força fraca e o eletromagnetismo , dando massa aos bósons W e Z , deixando o fóton sem massa. Em 4 de julho de 2012, ATLAS - junto com CMS, seu experimento irmão no LHC - relatou evidências da existência de uma partícula consistente com o bóson de Higgs em um nível de confiança de 5 sigma , com uma massa em torno de 125 GeV, ou 133 vezes a massa do próton. Essa nova partícula "parecida com Higgs" foi detectada por seu decaimento em dois fótons e em quatro léptons . Em março de 2013, à luz dos resultados atualizados do ATLAS e do CMS, o CERN anunciou que a nova partícula era de fato um bóson de Higgs. Os experimentos também foram capazes de mostrar que as propriedades da partícula, bem como a maneira como ela interage com outras partículas, combinavam bem com as de um bóson de Higgs, que deve ter spin 0 e paridade positiva . A análise de mais propriedades da partícula e os dados coletados em 2015 e 2016 confirmaram isso ainda mais. Em 2013, dois dos físicos teóricos que previram a existência do bóson de Higgs do Modelo Padrão, Peter Higgs e François Englert , receberam o Prêmio Nobel de Física .

Violação de CP

A assimetria entre o comportamento da matéria e da antimatéria , conhecida como violação de CP , também está sendo investigada. Experimentos recentes dedicados a medições de violação de CP, como BaBar e Belle , não detectaram violação de CP suficiente no Modelo Padrão para explicar a falta de antimatéria detectável no universo. É possível que novos modelos de física introduzam violação adicional de CP, lançando luz sobre este problema. Evidências que suportam estes modelos podem ambos ser detectados directamente pela produção de novas partículas, ou indirectamente através de medições das propriedades de B- e D- mesões . O LHCb , um experimento do LHC dedicado aos mésons B, é provavelmente mais adequado para o último.

Principais propriedades de quark

As propriedades do quark top , descoberto no Fermilab em 1995, foram medidas até agora apenas aproximadamente. Com muito mais energia e maiores taxas de colisão, o LHC produz um grande número de quarks top, permitindo ao ATLAS fazer medições muito mais precisas de sua massa e interações com outras partículas. Essas medições fornecerão informações indiretas sobre os detalhes do Modelo Padrão, com a possibilidade de revelar inconsistências que apontam para novas físicas. Medições de precisão semelhantes serão feitas de outras partículas conhecidas; por exemplo, o ATLAS pode eventualmente medir a massa do bóson W duas vezes mais precisamente do que foi alcançado anteriormente.

Supersimetria

Uma teoria que é objeto de muitas pesquisas atuais é a supersimetria . A supersimetria pode potencialmente resolver uma série de problemas na física teórica , como os problemas de hierarquia dentro da teoria de calibre , e está presente em quase todos os modelos da teoria das cordas . Os modelos de supersimetria envolvem partículas novas e altamente massivas. Em muitos casos, eles decaem em quarks de alta energia e partículas pesadas estáveis ​​que dificilmente interagem com a matéria comum. As partículas estáveis ​​escapariam do detector, deixando como sinal um ou mais jatos de quark de alta energia e uma grande quantidade de momento "ausente" . Outras partículas massivas hipotéticas, como as da teoria Kaluza-Klein , podem deixar uma assinatura semelhante, mas sua descoberta certamente indicaria que havia algum tipo de física além do Modelo Padrão.

Buracos negros microscópicos

Algumas hipóteses, baseadas no modelo ADD , envolvem grandes dimensões extras e prevêem que micro buracos negros poderiam ser formados pelo LHC. Estes decairiam imediatamente por meio da radiação Hawking , produzindo todas as partículas no Modelo Padrão em números iguais e deixando uma assinatura inequívoca no detector ATLAS.

Detector ATLAS

O detector ATLAS tem 46 metros de comprimento, 25 metros de diâmetro e pesa cerca de 7.000 toneladas; contém cerca de 3.000 km de cabo.

Com 27 quilômetros de circunferência , o Grande Colisor de Hádrons (LHC) colide dois feixes de prótons, com cada próton carregando até 6,5  TeV de energia - o suficiente para produzir partículas com massas significativamente maiores do que quaisquer partículas conhecidas atualmente, se essas partículas existirem. Quando os feixes de prótons produzidos pelo Large Hadron Collider interagem no centro do detector, uma variedade de partículas diferentes com uma ampla gama de energias são produzidas.

Requisitos de uso geral

O detector ATLAS é projetado para fins gerais. Em vez de focar em um processo físico específico, o ATLAS foi projetado para medir a faixa mais ampla possível de sinais. Isso visa garantir que, independentemente da forma que novos processos físicos ou partículas possam assumir, o ATLAS será capaz de detectá-los e medir suas propriedades. O ATLAS é projetado para detectar essas partículas, ou seja, suas massas, momento , energias , tempo de vida, cargas e spins nucleares .

Experimentos em colisões anteriores, como o Tevatron e o Large Electron-Positron Collider , também foram projetados para detecção de propósito geral. No entanto, a energia do feixe e a taxa extremamente alta de colisões exigem que o ATLAS seja significativamente maior e mais complexo do que os experimentos anteriores, apresentando desafios únicos do Grande Colisor de Hádrons.

Design em camadas

Para identificar todas as partículas produzidas no ponto de interação onde os feixes de partículas colidem, o detector é projetado em camadas compostas por detectores de diferentes tipos, cada um deles projetado para observar tipos específicos de partículas. Os diferentes traços que as partículas deixam em cada camada do detector permitem a identificação eficaz das partículas e medições precisas de energia e momento. (O papel de cada camada no detector é discutido abaixo .) À medida que a energia das partículas produzidas pelo acelerador aumenta, os detectores ligados a ele devem crescer para medir e interromper com eficácia as partículas de alta energia. Em 2017, o detector ATLAS é o maior já construído em um colisor de partículas.

Componentes

Visão em corte gerada por computador do detector ATLAS mostrando seus vários componentes
(1) Detectores de      múon
Sistema magnético :
(2) Magnetos toroidais
     (3)
Detector interno magnético solenóide :
     (4) Rastreador de radiação de transição
     (5) Rastreador de semicondutor
     (6 )
Calorímetros Detectores de Pixel :
     (7) Calorímetro de Argônio Líquido
     (8) Calorímetro de Azulejo

O detector ATLAS consiste em uma série de cilindros concêntricos cada vez maiores em torno do ponto de interação onde os feixes de prótons do LHC colidem. Ele pode ser dividido em quatro partes principais: o Detector Interno, os calorímetros, o Espectrômetro de Muons e os sistemas magnéticos. Cada um deles, por sua vez, é feito de várias camadas. Os detectores são complementares: o Detector Interno rastreia as partículas com precisão, os calorímetros medem a energia de partículas facilmente interrompidas e o sistema de múons faz medições adicionais de múons de alta penetração. Os dois sistemas magnéticos dobram as partículas carregadas no Detector Interno e no Espectrômetro de Muons, permitindo que seus momentos sejam medidos.

As únicas partículas estáveis ​​estabelecidas que não podem ser detectadas diretamente são os neutrinos ; sua presença é inferida medindo um desequilíbrio de momento entre as partículas detectadas. Para que isso funcione, o detector deve ser " hermético ", ou seja, deve detectar todos os não neutrinos produzidos, sem pontos cegos. Manter o desempenho do detector nas áreas de alta radiação imediatamente ao redor dos feixes de prótons é um desafio significativo de engenharia.

Detector Interno

A seção central ATLAS TRT (Transition Radiation Tracker), a parte mais externa do Detector Interno, montada acima do solo e tomando dados de raios cósmicos em setembro de 2005.

O detector interno começa a alguns centímetros do eixo do feixe de prótons, estende-se por um raio de 1,2 metros e tem 6,2 metros de comprimento ao longo do tubo do feixe. Sua função básica é rastrear partículas carregadas detectando sua interação com o material em pontos discretos, revelando informações detalhadas sobre os tipos de partículas e seu momento. O campo magnético ao redor de todo o detector interno faz com que as partículas carregadas se curvem; a direção da curva revela a carga de uma partícula e o grau de curvatura revela seu momento. Os pontos de partida das trilhas fornecem informações úteis para a identificação de partículas ; por exemplo, se um grupo de trilhas parece se originar de um ponto diferente da colisão próton-próton original, isso pode ser um sinal de que as partículas vieram da decadência de um hádron com um quark inferior (ver marcação b ). O Detector Interno possui três partes, que são explicadas a seguir.

O Detector de Pixel, a parte mais interna do detector, contém três camadas concêntricas e três discos em cada extremidade, com um total de 1.744 módulos , cada um medindo 2 centímetros por 6 centímetros. O material de detecção é silício com 250 µm de espessura . Cada módulo contém 16 chips de leitura e outros componentes eletrônicos. A menor unidade que pode ser lida é um pixel (50 por 400 micrômetros); existem cerca de 47.000 pixels por módulo. O tamanho mínimo do pixel é projetado para rastreamento extremamente preciso muito próximo ao ponto de interação. No total, o Pixel Detector tem mais de 80 milhões de canais de leitura, o que representa cerca de 50% do total de canais de leitura de todo o detector. Ter uma contagem tão grande criou um desafio considerável de design e engenharia. Outro desafio foi a radiação a que o Pixel Detector está exposto devido à sua proximidade com o ponto de interação, exigindo que todos os componentes sejam endurecidos por radiação para continuar operando após exposições significativas.

O Semi-Conductor Tracker (SCT) é o componente do meio do detector interno. É semelhante em conceito e função ao Detector de Pixel, mas com tiras longas e estreitas em vez de pixels pequenos, tornando prática a cobertura de uma área maior. Cada tira mede 80 micrômetros por 12 centímetros. O SCT é a parte mais crítica do detector interno para rastreamento básico no plano perpendicular ao feixe, uma vez que mede partículas em uma área muito maior do que o detector de pixel, com mais pontos amostrados e precisão aproximadamente igual (embora unidimensional) . É composto por quatro camadas duplas de tiras de silício e possui 6,3 milhões de canais de leitura e uma área total de 61 metros quadrados.

O Rastreador de radiação de transição (TRT), o componente mais externo do detector interno, é uma combinação de um rastreador de canudo e um detector de radiação de transição . Os elementos detectores são tubos de deriva (canudos), cada um com quatro milímetros de diâmetro e até 144 centímetros de comprimento. A incerteza das medições da posição da trilha (resolução da posição) é de cerca de 200 micrômetros. Isso não é tão preciso quanto os outros dois detectores, mas foi necessário reduzir o custo de cobertura de um volume maior e ter capacidade de detecção de radiação de transição. Cada canudo é preenchido com gás que se ioniza quando uma partícula carregada passa. Os canudos são mantidos em cerca de -1.500 V, conduzindo os íons negativos a um fio fino no centro de cada canudo, produzindo um pulso de corrente (sinal) no fio. Os fios com sinais criam um padrão de canudos 'atingidos' que permitem determinar o caminho da partícula. Entre os canudos, materiais com índices de refração amplamente variáveis fazem com que partículas carregadas ultra-relativísticas produzam radiação de transição e deixem sinais muito mais fortes em alguns canudos. O gás xenônio e argônio é usado para aumentar o número de canudos com sinais fortes. Uma vez que a quantidade de radiação de transição é maior para partículas altamente relativísticas (aquelas com uma velocidade muito próxima da velocidade da luz ), e porque as partículas de uma energia particular têm uma velocidade maior quanto mais leves forem, os caminhos das partículas com muitos sinais muito fortes podem ser identificados como pertencentes às partículas carregadas mais leves: elétrons e suas antipartículas, pósitrons . O TRT tem cerca de 298.000 canudos no total.

Calorímetros

Setembro de 2005: A seção do barril principal do calorímetro hadrônico ATLAS , esperando para ser movida dentro dos ímãs toroidais.
Uma das seções das extensões do calorímetro hadrônico , aguardando para ser inserida no final de fevereiro de 2006.
A seção estendida do barril do calorímetro hadrônico.

Os calorímetros estão situados fora do ímã solenoidal que circunda o Detector Interno. Seu objetivo é medir a energia das partículas, absorvendo-as. Existem dois sistemas de calorímetro básico: um calorímetro eletromagnético interno e um calorímetro hadrônico externo . Ambos são calorímetros de amostragem ; isto é, eles absorvem energia em metal de alta densidade e periodicamente amostram a forma da chuva de partículas resultante , inferindo a energia da partícula original a partir dessa medição.

O calorímetro eletromagnético (EM) absorve energia de partículas que interagem eletromagneticamente , que incluem partículas carregadas e fótons. Possui alta precisão, tanto na quantidade de energia absorvida quanto na localização precisa da energia depositada. O ângulo entre a trajetória da partícula e o eixo do feixe do detector (ou mais precisamente a pseudo - rapidez ) e seu ângulo dentro do plano perpendicular são medidos em cerca de 0,025  radianos . O calorímetro EM barril tem eletrodos em forma de acordeão e os materiais de absorção de energia são chumbo e aço inoxidável , com argônio líquido como material de amostragem, e um criostato é necessário ao redor do calorímetro EM para mantê-lo suficientemente frio.

O calorímetro hadron absorve energia de partículas que passam pelo calorímetro EM, mas interagem por meio da força forte ; essas partículas são principalmente hádrons. É menos preciso, tanto na magnitude da energia quanto na localização (dentro de cerca de 0,1 radianos apenas). O material absorvente de energia é o aço, com telhas cintilantes que mostram a energia depositada. Muitos dos recursos do calorímetro são escolhidos por sua relação custo-benefício; o instrumento é grande e compreende uma grande quantidade de material de construção: a parte principal do calorímetro - o calorímetro da telha - tem 8 metros de diâmetro e cobre 12 metros ao longo do eixo da viga. As seções mais à frente do calorímetro hadrônico estão contidas no criostato do calorímetro EM e usam argônio líquido também, enquanto cobre e tungstênio são usados ​​como absorvedores.

Espectrômetro de Muons

O Espectrômetro de Muons é um sistema de rastreamento extremamente grande, consistindo em três partes: (1) um campo magnético fornecido por três ímãs toroidais, (2) um conjunto de 1200 câmaras medindo com alta precisão espacial as trilhas dos múons que saem, (3) um conjunto de câmaras de disparo com resolução de tempo precisa. A extensão deste sub-detector começa em um raio de 4,25 m próximo aos calorímetros até o raio total do detector (11 m). Seu tremendo tamanho é necessário para medir com precisão o momento dos múons, que primeiro passam por todos os outros elementos do detector antes de chegar ao espectrômetro de múons. Ele foi projetado para medir, de forma independente, o momentum de múons de 100 GeV com precisão de 3% e de múons de 1 TeV com precisão de 10%. Era vital chegar ao extremo de montar um equipamento tão grande porque uma série de processos físicos interessantes só podem ser observados se um ou mais múons forem detectados e porque a energia total das partículas em um evento não pode ser medida se os múons fossem ignorados. Ele funciona de forma semelhante ao Detector Interno, com múons curvando-se para que seu momento possa ser medido, embora com uma configuração de campo magnético diferente , menor precisão espacial e um volume muito maior. Ele também tem a função de simplesmente identificar múons - espera-se que muito poucas partículas de outros tipos passem pelos calorímetros e, posteriormente, deixem sinais no espectrômetro de múons. Possui cerca de um milhão de canais de leitura e suas camadas de detectores têm uma área total de 12.000 metros quadrados.

Sistema magnético

As extremidades de quatro dos oito ímãs toroidais do ATLAS, olhando para baixo de cerca de 90 metros acima, em setembro de 2005
Os oito ímãs toroidais do detector ATLAS

O detector ATLAS usa dois grandes sistemas magnéticos supercondutores para dobrar partículas carregadas de modo que seus momentos possam ser medidos. Essa flexão se deve à força de Lorentz , que é proporcional à velocidade. Como todas as partículas produzidas nas colisões de prótons do LHC estão viajando muito perto da velocidade da luz, a força nas partículas de momentos diferentes é igual. (Na teoria da relatividade , o momento não é linear proporcional à velocidade em tais velocidades.) Assim, as partículas de alto momento curvam-se muito pouco, enquanto as partículas de baixo momento curvam-se significativamente; a quantidade de curvatura pode ser quantificada e o momento da partícula pode ser determinado a partir deste valor.

O solenóide interno produz um campo magnético de dois tesla ao redor do Detector Interno. Este alto campo magnético permite que até mesmo partículas muito energéticas se curvem o suficiente para que seu momento seja determinado, e sua direção e força quase uniformes permitem que as medições sejam feitas com muita precisão. Partículas com momentos abaixo de aproximadamente 400 MeV serão curvas tão fortemente que farão loopings repetidamente no campo e muito provavelmente não serão medidas; no entanto, essa energia é muito pequena em comparação com os vários TeV de energia liberados em cada colisão de prótons.

O campo magnético toroidal externo é produzido por oito voltas de barril supercondutoras de núcleo de ar muito grandes e duas cápsulas de imãs toroidais de ar, todos situados fora dos calorímetros e dentro do sistema de múons. Esse campo magnético se estende por uma área de 26 metros de comprimento e 20 metros de diâmetro, e armazena 1,6  gigajoules de energia. Seu campo magnético não é uniforme, porque um ímã solenóide de tamanho suficiente seria proibitivamente caro de construir. Varia entre 2 e 8 teslâmetros.

Desempenho do detector

A instalação de todos os detectores acima foi concluída em agosto de 2008. Os detectores coletaram milhões de raios cósmicos durante os reparos magnéticos que ocorreram entre o outono de 2008 e o outono de 2009, antes das primeiras colisões de prótons. O detector operou com eficiência próxima de 100% e apresentou características de desempenho muito próximas de seus valores de projeto.

Detectores dianteiros

O detector ATLAS é complementado por um conjunto de quatro sub-detectores na região frontal para medir partículas em ângulos muito pequenos. O LUCID (LUminosity Cherenkov Integrating Detector) é o primeiro desses detectores projetado para medir a luminosidade e localizado na caverna ATLAS a 17m do ponto de interação entre as duas terminações de múons. Em seguida está o ZDC (Calorímetro de Grau Zero) projetado para medir partículas neutras no eixo do feixe e localizado a 140 m do IP no túnel do LHC, onde os dois feixes são divididos de volta em tubos de feixe separados. AFP (Atlas Forward Proton) é projetado para marcar eventos difrativos, e está localizado a 204m e 217m e finalmente ALFA (Luminosidade Absoluta para ATLAS) é projetado para medir o espalhamento elástico de prótons localizado a 240m logo antes dos ímãs de flexão do arco do LHC.

Sistemas de dados

Requisitos

Os sistemas anteriores de leitura do detector de partículas e detecção de eventos eram baseados em barramentos compartilhados paralelos, como VMEbus ou FASTBUS . Uma vez que tal arquitetura de barramento não pode acompanhar os requisitos de dados dos detectores do LHC, todas as propostas de sistema de aquisição de dados dependem de links ponto a ponto de alta velocidade e redes de comutação.

Geração de dados

O detector gera muitos dados brutos para ler ou armazenar tudo: cerca de 25 megabytes por evento (brutos; a supressão de zero reduz para 1,6 MB), multiplicados por 40 milhões de cruzamentos de feixe por segundo no centro do detector. Isso produz um total de 1 petabyte de dados brutos por segundo.

Sistema de gatilho

O sistema de gatilho usa reconstrução rápida de eventos para identificar, em tempo real, os eventos mais interessantes para reter para análise detalhada. No segundo período de obtenção de dados do LHC, Run-2, havia dois níveis distintos de gatilho:

  • O gatilho de nível 1, implementado em hardware personalizado no local do detector. Ele usa informações de granularidade reduzida dos calorímetros e do espectrômetro de múons e reduz a taxa de eventos na leitura para 100 kHz.
  • O gatilho de alto nível (HLT), implementado em software e usa regiões limitadas do detector, as chamadas regiões de interesse (RoI), a serem reconstruídas com a granularidade total do detector, incluindo rastreamento, e permite a correspondência de depósitos de energia com rastreamentos. Após esta etapa, a taxa de eventos é reduzida para 1 kHz.

Os dados restantes, correspondentes a cerca de 1000 eventos por segundo, são armazenados para análise posterior.

Análise

A reconstrução de eventos offline é realizada em todos os eventos armazenados permanentemente, transformando o padrão de sinais do detector em objetos físicos, como jatos , fótons e léptons . A computação em grade está sendo usada extensivamente para reconstrução de eventos, permitindo o uso paralelo de redes de computadores de universidades e laboratórios em todo o mundo para a tarefa intensiva da CPU de reduzir grandes quantidades de dados brutos em uma forma adequada para análise física. O software para essas tarefas está em desenvolvimento há muitos anos e os refinamentos estão em andamento, mesmo após o início da coleta de dados.

Indivíduos e grupos dentro da colaboração estão escrevendo seu próprio código para realizar análises adicionais desses objetos, pesquisando os padrões de partículas detectadas para modelos físicos específicos ou partículas hipotéticas.

Curiosidades

O pesquisador retratado em escala na famosa imagem do detector ATLAS é Roger Ruber, pesquisador da Universidade de Uppsala, na Suécia. Ruber, um dos pesquisadores responsáveis ​​pelo ímã criostato central do detector ATLAS, estava inspecionando os ímãs no túnel do LHC ao mesmo tempo que Maximilien Brice, o fotógrafo, se preparava para fotografar o detector ATLAS. Brice pediu a Ruber para ficar na base do detector para ilustrar a escala do detector ATLAS. Isso foi revelado por Maximilien Brice e confirmado por Roger Ruber durante entrevistas em 2020 com Rebecca Smethurst da Universidade de Oxford.

Referências

Leitura adicional

links externos