Физика на Большом адронном коллайдере (Large Hadron Collider, LHC), страница 4

Магнитные поля в детекторах необходимы для искривления траекторий рождаемых заряженных час­тиц. Магнитные поля достигают 2 Тл в ATLAS и до 4 Тл в CMS. Кривизна траектории позволяет измерить им­пульс частицы и определить её природу (массу). Это — основная информация, которую получают о том или ином процессе. Детектирование частиц основано на свойствах взаимодействия заряженных частиц с вещест­вом детектора. Общая "архитектура" детекторов ATLAS, CMS и ALICE имеет много общего, тогда как LHCb в основном ориентирован на то, чтобы уделять особое внимание b-кваркам, движущимся преимущест­венно в переднем направлении. Центральная область, ближайшая к точке взаимодействия, заполнена систе­мой трекеров, следящей за траекторией частицы и из­меряющей её импульс. Затем следуют электромагнитные калориметры, в которых происходит поглощение фото­нов и электронов с измерением их полной энергии. По­скольку адроны поглощаются на больших длинах, адронные калориметры размещаются на ещё большем расстоянии от точки взаимодействия. Мюоны являются наиболее проникающими частицами, и потому системы для их детектирования находятся на периферии детекто­ров.

Во внутренних частях детекторов используются крем­ниевые пиксельные детекторы, покрывающие площади до 2 м2 на весьма малых радиусах от центральной оси детектора, вплоть до 4,5 см, а также кремниевые микро- стриповые детекторы на бОльших радиусах (20-55 см). Кремниевые детекторы хорошо сегментированы, для того чтобы обеспечить аккуратное слежение за траекто­рией частицы и получить достаточную точность опреде­ления координат треков. Кроме того, в ATLAS исполь­зуется трекер переходного излучения (TRT), действие которого основано на эффекте переходного излучения фотонов заряженными частицами. Радиус TRT больше 56 см. Он позволяет также отличить электроны от пионов. Число точек вдоль следа частицы в TRT велико (около 30-40 на трек). В совокупности эта система обеспечивает непрерывное слежение за следом частицы, её идентификацию, точное измерение импульса, а также реконструкцию первичных и вторичных вершин взаимо­действий. Особенно пристальное внимание уделено сопротивляемости используемых материалов радиации, которая исключительно сильна из-за огромных потоков на столь малых расстояниях от точек взаимодействия. Это требование весьма важно и для электронных систем, считывающих информацию с компонентов детектора и передающих её в компьютерную сеть.

Далее следуют калориметры, которые поглощают и измеряют потоки энергии электронов, фотонов и адро- нов, а также служат в качестве триггеров сигналов, в частности, от событий, подозреваемых на проявления новой физики. Электромагнитный калориметр детек­тора ATLAS состоит из слоев свинца, между которыми находятся области, заполненные жидким аргоном. В CMS для этих целей используются кристаллы с очень высокой плотностью. С их помощью измеряются направления распространения и энергии электромаг­нитных ливней, развивающихся в плотном веществе. Адронные калориметры, расположенные вокруг элект­ромагнитных калориметров, тоже измеряют направле­ния и энергии адронных ливней (особенно струй адро- нов), а также недостающую энергию, которая может быть связана, например, с нейтрино, недетектирован- ными нейтральными частицами и т.д. Самые дальние от точек взаимодействия периферийные части детекторов состоят из использующих газы устройств, предназначен­ных для идентификации мюонов и измерения их импуль­сов. Работа этих устройств полностью синхронизована с работой остальных частей детекторов. Надо заметить, что некоторые системы обеспечивают независимое изме­рение импульсов, что позволяет проводить взаимную проверку.

Работа с такими сложными системами требует высо­кой квалификации физиков, которые должны знать и калибровать разные части детекторов. Конечно, в каж­дом из детекторов проявляются и специфичные только для него проблемы. Например, в детекторе LHCb особенно высокие требования предъявляются к точно­сти определения положений вершин распадов, от кото­рой зависит точность получаемых данных о В-мезонах. Подобные ситуации типичны и для других детекторов. Но, несомненно, общим для всех детекторов является необходимость их калибровки с помощью космических лучей для понимания их отклика на прохождение частиц на начальном этапе, что уже активно проводится.