Experimento ATLAS

Gran Colisionador de Hadrones
(LHC)

Plano de los experimentos del LHC y de los preaceleradores.
Experimentos del LHC
ATLAS	Un aparato LHC toroidal
CMS	Solenoide de muón compacto
LHCb	La belleza del LHC
ALICIA	Un experimento con un gran colisionador de iones
TÓTEM	Sección transversal total, dispersión elástica y disociación por difracción
Gran colisionador de haz estrecho	LHC-adelante
MoEDAL	Detector de monopolos y de partículas exóticas en el LHC
FASER	Experimento de búsqueda hacia adelante
SND	Detector de neutrinos y dispersión
Preaceleradores del LHC
p y Pb	Aceleradores lineales de protones (Linac 4) y plomo (Linac 3)
(no marcado)	Amplificador sincrotrón de protones
PD	Sincrotrón de protones
SPS	Sincrotrón de superprotones

46°14′8″N 6°3′19″E / 46.23556, -6.05528ATLAS ^{[1] [2] [3] es el mayor experimento} de detección de partículas de propósito general en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), un acelerador de partículas en el CERN (la Organización Europea para la Investigación Nuclear) en Suiza. ^[4] El experimento está diseñado para aprovechar la energía sin precedentes disponible en el LHC y observar fenómenos que involucran partículas altamente masivas que no eran observables usando aceleradores anteriores de menor energía . ATLAS fue uno de los dos experimentos LHC involucrados en el descubrimiento del bosón de Higgs en julio de 2012. ^{[5] [6]} También fue diseñado para buscar evidencia de teorías de física de partículas más allá del Modelo Estándar .

El experimento es una colaboración que involucra a 6.003 miembros, de los cuales 3.822 son físicos (última actualización: 26 de junio de 2022) de 257 instituciones en 42 países. ^{[1] [7]}

El primer ciclotrón , un tipo primitivo de acelerador de partículas, fue construido por Ernest O. Lawrence en 1931, con un radio de apenas unos centímetros y una energía de partícula de 1 megaelectronvoltio (MeV) . Desde entonces, los aceleradores han crecido enormemente en la búsqueda de producir nuevas partículas de masa cada vez mayor . A medida que los aceleradores han crecido, también lo ha hecho la lista de partículas conocidas que podrían usarse para investigar.

La Colaboración ATLAS, el grupo internacional de físicos pertenecientes a diferentes universidades y centros de investigación que construyeron y operan el detector, se formó en 1992 cuando las colaboraciones propuestas EAGLE (Experimento para mediciones precisas de rayos gamma, leptones y energía) y ASCOT (Aparato con toroides superconductores) fusionaron sus esfuerzos para construir un único detector de partículas de propósito general para un nuevo acelerador de partículas , el Gran Colisionador de Hadrones . ^[8] En la actualidad, la Colaboración ATLAS involucra a 6.003 miembros, de los cuales 3.822 son físicos (última actualización: 26 de junio de 2022) de 257 instituciones en 42 países. ^{[1] [7]}

El diseño fue una combinación de dos proyectos anteriores para el LHC, EAGLE y ASCOT, y también se benefició de la investigación y el desarrollo del detector que se había realizado para el Supercolisionador Superconductor , un proyecto estadounidense interrumpido en 1993. El experimento ATLAS se propuso en su forma actual en 1994 y fue financiado oficialmente por los países miembros del CERN en 1995. En los años posteriores se unieron otros países, universidades y laboratorios . El trabajo de construcción comenzó en instituciones individuales, y luego los componentes del detector se enviaron al CERN y se ensamblaron en el foso del experimento ATLAS a partir de 2003.

La construcción se completó en 2008 y el experimento detectó sus primeros eventos de haz de protones individuales el 10 de septiembre de ese año. ^[9] La toma de datos se interrumpió durante más de un año debido a un incidente de extinción de imanes del LHC . El 23 de noviembre de 2009, se produjeron las primeras colisiones protón-protón en el LHC y fueron registradas por ATLAS, a una energía de inyección relativamente baja de 900 GeV en el centro de masa de la colisión. Desde entonces, la energía del LHC ha ido aumentando: 1,8 TeV a finales de 2009, 7 TeV durante todo 2010 y 2011, luego 8 TeV en 2012. El primer período de toma de datos realizado entre 2010 y 2012 se conoce como Run I. Después de un apagado prolongado (LS1) en 2013 y 2014, en 2015 ATLAS vio 13 colisiones de TeV. ^{[10] [11] [12]} El segundo período de toma de datos, Run II, se completó, siempre a una energía de 13 TeV, a fines de 2018 con una luminosidad integrada registrada de casi 140 fb ^{−1 (} femtobarn inverso ). ^[13] Un segundo apagado prolongado (LS2) en 2019-22 con actualizaciones al detector ATLAS ^[14] fue seguido por Run III, que comenzó en julio de 2022. ^[15]

La colaboración ATLAS está actualmente dirigida por el portavoz Andreas Hoecker y las portavoces adjuntas Marumi Kado y Manuella Vincter . ^[16] Los portavoces anteriores han sido:

En el campo de la física de partículas , ATLAS estudia diferentes tipos de procesos detectados o detectables en colisiones energéticas en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Para los procesos ya conocidos, se trata de medir cada vez con mayor precisión las propiedades de partículas conocidas o de encontrar confirmaciones cuantitativas del Modelo Estándar . Procesos no observados hasta ahora permitirían, si se detectaran, descubrir nuevas partículas o tener confirmaciones de teorías físicas que van más allá del Modelo Estándar .

Modelo estándar de física de partículas
Partículas elementales del Modelo Estándar
Fondo Física de partículas Modelo estándar Teoría cuántica de campos Teoría de gauge Ruptura espontánea de simetría Mecanismo de Higgs
Constituyentes Interacción electrodébil Cromodinámica cuántica Matriz CKM Matemáticas del Modelo Estándar
Limitaciones Problema CP fuerte Problema de jerarquía Oscilaciones de neutrinos Física más allá del Modelo Estándar
Científicos Rutherford Thomson Chadwick Bosé Sudarshan Davis Jr Anderson Fermi Dirac Feynman rubí Gell-Mann Kendall Taylor Friedman Powell Anderson espectáculo de vidrio Iliopoulos Hombre de cuero Maiani Más Cowan Nambu Chambelán Cabibbo Schwartz Perl Mayorana Weinberg Sotavento Pabellón Saludos Kobayashi Máscara Molinos Yang Yukawa No casco Veltman Bruto País Pablo Politzer Reinas Schwinger Wilczek Cronin Ajuste Vleck bosón de higgs Englert Brote Hagen Guralnik Croquetas de Mayolo Café con leche Dos
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El modelo estándar de física de partículas es la teoría que describe tres de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas (las interacciones electromagnética , débil y fuerte , mientras que omite la gravedad ) en el universo , así como la clasificación de todas las partículas elementales conocidas . Se desarrolló en etapas a lo largo de la segunda mitad del siglo XX, a través del trabajo de muchos científicos de todo el mundo, ^[17] con la formulación actual finalizada a mediados de la década de 1970 tras la confirmación experimental de la existencia de los quarks . Desde entonces, la confirmación del quark top (1995), el neutrino tau (2000) y el bosón de Higgs (2012) han añadido más credibilidad al modelo estándar . Además, el modelo estándar ha predicho varias propiedades de las corrientes neutras débiles y los bosones W y Z con gran precisión.

Aunque se cree que el modelo estándar es teóricamente autoconsistente ^[18] y ha demostrado enormes éxitos en proporcionar predicciones experimentales , deja algunos fenómenos sin explicar y no llega a ser una teoría completa de las interacciones fundamentales . No explica completamente la asimetría bariónica , no incorpora la teoría completa de la gravitación ^[19] como se describe en la relatividad general ni explica la expansión acelerada del universo como posiblemente se describe mediante la energía oscura . El modelo no contiene ninguna partícula de materia oscura viable que posea todas las propiedades requeridas deducidas de la cosmología observacional . Tampoco incorpora las oscilaciones de neutrinos y sus masas distintas de cero.

Con la importante excepción del bosón de Higgs , detectado por los experimentos ATLAS y CMS en 2012, ^[20] todas las partículas predichas por el Modelo Estándar habían sido observadas por experimentos anteriores. En este campo, además del descubrimiento del bosón de Higgs , el trabajo experimental de ATLAS se ha centrado en mediciones de precisión, destinadas a determinar con cada vez mayor exactitud los numerosos parámetros físicos de la teoría. En particular para

• el bosón de Higgs ;
• bosones W y Z ;
• Los quarks top y bottom

Medidas ATLAS:

• masas ;
• canales de producción, decadencia y tiempos de vida medios ;
• mecanismos de interacción y constantes de acoplamiento para interacciones electrodébiles y fuertes .

Por ejemplo, los datos recogidos por ATLAS permitieron en 2018 medir la masa [(80.370±19) MeV ] del bosón W , uno de los dos mediadores de la interacción débil , con una incertidumbre de medida de ±2,4 ‰ .

Uno de los objetivos más importantes de ATLAS era investigar una pieza faltante del Modelo Estándar, el bosón de Higgs . ^{[1] [21]} El mecanismo de Higgs , que incluye el bosón de Higgs, da masa a las partículas elementales, lo que conduce a diferencias entre la fuerza débil y el electromagnetismo al dar masa a los bosones W y Z mientras deja al fotón sin masa.

El 4 de julio de 2012, ATLAS —junto con CMS, su experimento hermano en el LHC— informó de la existencia de una partícula compatible con el bosón de Higgs con un nivel de confianza de 5 sigma ^[5] , con una masa de alrededor de 125 GeV, o 133 veces la masa del protón. Esta nueva partícula "similar al bosón de Higgs" fue detectada por su desintegración en dos fotones ( ) y su desintegración en cuatro leptones ( y ).${\displaystyle H\rightarrow \gamma \gamma }$${\displaystyle H\rightarrow ZZ^{*}\rightarrow 4l}$${\displaystyle H\rightarrow WW^{*}\rightarrow e\nu \mu \nu }$

En marzo de 2013, a la luz de los resultados actualizados de ATLAS y CMS, el CERN anunció que la nueva partícula era efectivamente un bosón de Higgs. Los experimentos también pudieron demostrar que las propiedades de la partícula, así como las formas en que interactúa con otras partículas, coincidían bien con las de un bosón de Higgs, que se espera que tenga espín 0 y paridad positiva . El análisis de más propiedades de la partícula y los datos recopilados en 2015 y 2016 confirmaron esto aún más. ^[20]

En octubre de 2013, dos de los físicos teóricos que predijeron la existencia del bosón de Higgs del Modelo Estándar, Peter Higgs y François Englert , fueron galardonados con el Premio Nobel de Física .

Las propiedades del quark top , descubierto en Fermilab en 1995, ya habían sido medidas de forma aproximada. Con mucha más energía y mayores tasas de colisión, el LHC produce una enorme cantidad de quarks top, lo que permite a ATLAS realizar mediciones mucho más precisas de su masa y de sus interacciones con otras partículas. ^[22] Estas mediciones proporcionan información indirecta sobre los detalles del Modelo Estándar, con la posibilidad de revelar inconsistencias que apunten a una nueva física.

Aunque el Modelo Estándar predice que deberían existir quarks , leptones y neutrinos , no explica por qué las masas de estas partículas son tan diferentes (difieren en órdenes de magnitud ). Además, la masa de los neutrinos debería ser, según el Modelo Estándar , exactamente cero como la del fotón . En cambio, los neutrinos tienen masa . En 1998, los resultados de la investigación en el detector Super-Kamiokande determinaron que los neutrinos pueden oscilar de un sabor a otro, lo que dicta que tienen una masa distinta de cero. Por estas y otras razones, muchos físicos de partículas creen que es posible que el Modelo Estándar se descomponga a energías en la escala de teraelectronvoltios (TeV) o superiores. La mayoría de las teorías alternativas, las Teorías de Gran Unificación (GUTs), incluida la Supersimetría (SUSY), predicen la existencia de nuevas partículas con masas mayores que las del Modelo Estándar .

La mayoría de las teorías propuestas actualmente predicen nuevas partículas de mayor masa, algunas de las cuales pueden ser lo suficientemente ligeras como para ser observadas por ATLAS. Los modelos de supersimetría involucran nuevas partículas altamente masivas. En muchos casos, estas se desintegran en quarks de alta energía y partículas pesadas estables que tienen muy pocas probabilidades de interactuar con la materia ordinaria. Las partículas estables escaparían del detector, dejando como señal uno o más chorros de quarks de alta energía y una gran cantidad de momento "perdido" . Otras partículas masivas hipotéticas, como las de la teoría de Kaluza-Klein , podrían dejar una firma similar. Los datos recopilados hasta el final del Run II del LHC no muestran evidencia de partículas supersimétricas o inesperadas, cuya investigación continuará en los datos que se recopilarán a partir del Run III.

La asimetría entre el comportamiento de la materia y la antimateria , conocida como violación CP , también se está investigando. ^[21] Experimentos recientes dedicados a mediciones de violación CP, como BaBar y Belle , no han detectado suficiente violación CP en el Modelo Estándar para explicar la falta de antimateria detectable en el universo. Es posible que nuevos modelos de física introduzcan violación CP adicional, arrojando luz sobre este problema. La evidencia que apoya estos modelos podría detectarse directamente por la producción de nuevas partículas, o indirectamente por mediciones de las propiedades de los mesones B y D. Es probable que LHCb , un experimento LHC dedicado a los mesones B , sea más adecuado para esto último. ^[23]

Algunas hipótesis, basadas en el modelo ADD , implican grandes dimensiones extra y predicen que podrían formarse microagujeros negros por el LHC. ^[24] Estos se desintegrarían inmediatamente por medio de la radiación de Hawking , produciendo todas las partículas del Modelo Estándar en números iguales y dejando una firma inequívoca en el detector ATLAS. ^[25]

El detector ATLAS tiene 46 metros de largo, 25 metros de diámetro y pesa alrededor de 7.000 toneladas; contiene unos 3.000 kilómetros de cable. ^{[1] [2] [3]}

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN , de 27 km de circunferencia , hace colisionar dos haces de protones, cada uno de los cuales transporta hasta 6,8  TeV de energía, suficiente para producir partículas con masas significativamente mayores que las partículas conocidas hasta el momento, si es que estas partículas existen. Cuando los haces de protones producidos por el Gran Colisionador de Hadrones interactúan en el centro del detector, se produce una variedad de partículas diferentes con un amplio rango de energías.

El detector ATLAS está diseñado para un uso general. En lugar de centrarse en un proceso físico en particular, ATLAS está diseñado para medir la gama más amplia posible de señales. Esto tiene como objetivo garantizar que, independientemente de la forma que puedan adoptar los nuevos procesos físicos o partículas, ATLAS pueda detectarlos y medir sus propiedades. ATLAS está diseñado para detectar estas partículas, es decir, sus masas, momento , energías , tiempos de vida, cargas y espines nucleares .

Los experimentos realizados en colisionadores anteriores, como el Tevatron y el Gran Colisionador de Electrones y Positrones , también se diseñaron para la detección de uso general. Sin embargo, la energía del haz y la tasa extremadamente alta de colisiones requieren que ATLAS sea significativamente más grande y más complejo que los experimentos anteriores, lo que presenta desafíos únicos para el Gran Colisionador de Hadrones.

Para identificar todas las partículas producidas en el punto de interacción donde chocan los haces de partículas, el detector está diseñado en capas formadas por detectores de diferentes tipos, cada uno de los cuales está diseñado para observar tipos específicos de partículas. Los diferentes rastros que dejan las partículas en cada capa del detector permiten una identificación eficaz de las partículas y mediciones precisas de energía y momento. (El papel de cada capa en el detector se analiza a continuación). A medida que aumenta la energía de las partículas producidas por el acelerador, los detectores conectados a él deben crecer para medir y detener eficazmente las partículas de mayor energía. A partir de 2022, el detector ATLAS es el más grande jamás construido en un colisionador de partículas. ^[26]

El detector ATLAS ^{[1] [2] [3]} consiste en una serie de cilindros concéntricos cada vez más grandes alrededor del punto de interacción donde chocan los haces de protones del LHC. Mantener el rendimiento del detector en las áreas de alta radiación que rodean inmediatamente a los haces de protones es un desafío de ingeniería significativo. El detector se puede dividir en cuatro sistemas principales:

1. Detector interno;
2. Calorímetros;
3. Espectrómetro de muones ;
4. Sistema de imán.

Cada uno de ellos está formado a su vez por múltiples capas. Los detectores son complementarios: el detector interno rastrea las partículas con precisión, los calorímetros miden la energía de las partículas que se detienen fácilmente y el sistema de muones realiza mediciones adicionales de muones altamente penetrantes. Los dos sistemas magnéticos doblan las partículas cargadas en el detector interno y el espectrómetro de muones, lo que permite medir sus cargas eléctricas y momentos . Las únicas partículas estables establecidas que no se pueden detectar directamente son los neutrinos ; su presencia se infiere midiendo un desequilibrio de momento entre las partículas detectadas. Para que esto funcione, el detector debe ser " hermético ", lo que significa que debe detectar todos los no neutrinos producidos, sin puntos ciegos.

La instalación de todos los sistemas de detección antes mencionados finalizó en agosto de 2008. Los detectores recogieron millones de rayos cósmicos durante las reparaciones de los imanes que tuvieron lugar entre el otoño de 2008 y el otoño de 2009, antes de las primeras colisiones de protones. El detector funcionó con una eficiencia cercana al 100% y proporcionó características de rendimiento muy cercanas a sus valores de diseño. ^[27]

El detector interno ^{[1] [2] [3] [29]} comienza a unos pocos centímetros del eje del haz de protones, se extiende hasta un radio de 1,2 metros y tiene una longitud de 6,2 metros a lo largo del tubo del haz. Su función básica es rastrear partículas cargadas detectando su interacción con el material en puntos discretos, revelando información detallada sobre los tipos de partículas y su momento. ^[30] El detector interno tiene tres partes, que se explican a continuación.

El campo magnético que rodea todo el detector interno hace que las partículas cargadas se curven; la dirección de la curva revela la carga de una partícula y el grado de curvatura revela su momento. Los puntos de partida de las trayectorias proporcionan información útil para identificar partículas ; por ejemplo, si un grupo de trayectorias parece originarse en un punto distinto de la colisión protón-protón original, esto puede ser una señal de que las partículas provienen de la desintegración de un hadrón con un quark bottom (véase etiquetado b ).

El detector de píxeles, ^[31] la parte más interna del detector, contiene cuatro capas concéntricas y tres discos en cada tapa final, con un total de 1.744  módulos , cada uno de los cuales mide 2 centímetros por 6 centímetros. El material de detección es silicio de 250 μm de espesor . Cada módulo contiene 16 chips de lectura y otros componentes electrónicos. La unidad más pequeña que se puede leer es un píxel (50 por 400 micrómetros); hay aproximadamente 47.000 píxeles por módulo.

El diminuto tamaño de píxel está diseñado para un seguimiento extremadamente preciso muy cerca del punto de interacción. En total, el Pixel Detector tiene más de 92 millones de canales de lectura, lo que representa aproximadamente el 50 % del total de canales de lectura de todo el detector. Tener una cantidad tan grande creó un desafío considerable de diseño e ingeniería. Otro desafío fue la radiación a la que está expuesto el Pixel Detector debido a su proximidad al punto de interacción, lo que requirió que todos los componentes estuvieran reforzados contra la radiación para continuar funcionando después de exposiciones significativas.

El Semi-Conductor Tracker (SCT) es el componente intermedio del detector interno. Es similar en concepto y función al Pixel Detector pero con tiras largas y estrechas en lugar de píxeles pequeños, lo que hace que sea práctico cubrir un área más grande. Cada tira mide 80 micrómetros por 12 centímetros. El SCT es la parte más crítica del detector interno para el seguimiento básico en el plano perpendicular al haz, ya que mide partículas sobre un área mucho más grande que el Pixel Detector, con más puntos muestreados y una precisión aproximadamente igual (aunque unidimensional). Está compuesto por cuatro capas dobles de tiras de silicio y tiene 6,3 millones de canales de lectura y un área total de 61 metros cuadrados.

El rastreador de radiación de transición (TRT), el componente más externo del detector interno, es una combinación de un rastreador de pajuelas y un detector de radiación de transición . Los elementos de detección son tubos de deriva (pajuelas), cada uno de cuatro milímetros de diámetro y hasta 144 centímetros de largo. La incertidumbre de las mediciones de la posición de la pista (resolución de la posición) es de aproximadamente 200 micrómetros. Esto no es tan preciso como los de los otros dos detectores, pero era necesario para reducir el costo de cubrir un volumen mayor y tener capacidad de detección de radiación de transición. Cada pajuela está llena de gas que se ioniza cuando una partícula cargada pasa a través de ella. Las pajuelas se mantienen a aproximadamente -1.500 V, lo que conduce los iones negativos a un cable fino en el centro de cada pajuela, lo que produce un pulso de corriente (señal) en el cable. Los cables con señales crean un patrón de pajuelas "impactadas" que permiten determinar la trayectoria de la partícula. Entre las pajillas, los materiales con índices de refracción muy variables hacen que las partículas cargadas ultrarrelativistas produzcan radiación de transición y dejen señales mucho más fuertes en algunas pajillas. Se utiliza gas xenón y argón para aumentar el número de pajillas con señales fuertes. Dado que la cantidad de radiación de transición es mayor para las partículas altamente relativistas (aquellas con una velocidad muy cercana a la velocidad de la luz ), y debido a que las partículas de una energía particular tienen una velocidad mayor cuanto más ligeras son, las trayectorias de partículas con muchas señales muy fuertes pueden identificarse como pertenecientes a las partículas cargadas más ligeras: electrones y sus antipartículas, positrones . El TRT tiene alrededor de 298.000 pajillas en total.

Los calorímetros ^{[1] [2] [3]} están situados fuera del imán solenoidal que rodea al Detector Interno. Su propósito es medir la energía de las partículas absorbiéndola. Hay dos sistemas calorímetros básicos: un calorímetro electromagnético interno y un calorímetro hadrónico externo . ^[32] Ambos son calorímetros de muestreo ; es decir, absorben energía en metal de alta densidad y muestrean periódicamente la forma de la lluvia de partículas resultante , infiriendo la energía de la partícula original a partir de esta medición.

El calorímetro electromagnético (EM) absorbe energía de partículas que interactúan electromagnéticamente , que incluyen partículas cargadas y fotones. Tiene una alta precisión, tanto en la cantidad de energía absorbida como en la ubicación precisa de la energía depositada. El ángulo entre la trayectoria de la partícula y el eje del haz del detector (o más precisamente la pseudorapidez ) y su ángulo dentro del plano perpendicular se miden con una precisión de aproximadamente 0,025  radianes . El calorímetro EM de barril tiene electrodos en forma de acordeón y los materiales que absorben energía son plomo y acero inoxidable , con argón líquido como material de muestreo, y se requiere un criostato alrededor del calorímetro EM para mantenerlo lo suficientemente frío.

El calorímetro hadrónico absorbe energía de las partículas que pasan a través del calorímetro EM, pero interactúan a través de la fuerza fuerte ; estas partículas son principalmente hadrones. Es menos preciso, tanto en magnitud de energía como en la localización (dentro de aproximadamente 0,1 radianes solamente). ^[23] El material que absorbe energía es acero, con baldosas centelleantes que muestrean la energía depositada. Muchas de las características del calorímetro se eligen por su relación costo-beneficio; el instrumento es grande y comprende una gran cantidad de material de construcción: la parte principal del calorímetro -el calorímetro de baldosas- tiene 8 metros de diámetro y cubre 12 metros a lo largo del eje del haz. Las secciones más adelantadas del calorímetro hadrónico están contenidas dentro del criostato del calorímetro EM delantero, y también utilizan argón líquido, mientras que el cobre y el tungsteno se utilizan como absorbentes.

El espectrómetro de muones ^{[1] [2] [3]} es un sistema de seguimiento extremadamente grande, que consta de tres partes:

1. Un campo magnético proporcionado por tres imanes toroidales;
2. Un conjunto de 1200 cámaras que miden con alta precisión espacial las trayectorias de los muones salientes;
3. Un conjunto de cámaras de disparo con resolución temporal precisa.

El alcance de este subdetector comienza en un radio de 4,25 m cerca de los calorímetros y se extiende hasta el radio completo del detector (11 m). Su enorme tamaño es necesario para medir con precisión el momento de los muones, que primero pasan por todos los demás elementos del detector antes de llegar al espectrómetro de muones. Fue diseñado para medir, de forma independiente, el momento de muones de 100 GeV con una precisión del 3% y el de muones de 1 TeV con una precisión del 10%. Era vital llegar a los extremos necesarios para montar un equipo tan grande porque una serie de procesos físicos interesantes solo se pueden observar si se detectan uno o más muones, y porque la energía total de las partículas en un evento no se puede medir si se ignoran los muones. Funciona de forma similar al detector interno, con muones que se curvan de modo que se puede medir su momento, aunque con una configuración de campo magnético diferente , una precisión espacial menor y un volumen mucho mayor. También cumple la función de identificar muones de forma sencilla (se espera que muy pocas partículas de otros tipos pasen por los calorímetros y dejen posteriormente señales en el espectrómetro de muones). Tiene aproximadamente un millón de canales de lectura y sus capas de detectores tienen una superficie total de 12.000 metros cuadrados.

El detector ATLAS utiliza dos grandes sistemas de imanes superconductores para curvar la trayectoria de las partículas cargadas, de modo que se puedan medir sus momentos. ^{[1] [2] [3]} Esta curvatura se debe a la fuerza de Lorentz , cuyo módulo es proporcional a la carga eléctrica de la partícula, a su velocidad y a la intensidad del campo magnético:${\displaystyle q}$${\displaystyle v}$${\displaystyle B}$

${\displaystyle F=q\,v\,B.}$

Dado que todas las partículas producidas en las colisiones de protones del LHC viajan a una velocidad muy cercana a la de la luz en el vacío , la fuerza de Lorentz es aproximadamente la misma para todas las partículas con la misma carga eléctrica :${\displaystyle (v\simeq c)}$ ${\displaystyle q}$

${\displaystyle F\simeq q\,c\,B.}$

El radio de curvatura debido a la fuerza de Lorentz es igual a${\displaystyle r}$

${\displaystyle r={\frac {p}{q\,B}}.}$

donde es el momento relativista de la partícula. Como resultado, las partículas de alto momento se curvan muy poco (grandes ), mientras que las partículas de bajo momento se curvan significativamente (pequeñas ). La cantidad de curvatura se puede cuantificar y el momento de la partícula se puede determinar a partir de este valor.${\displaystyle p=\gamma \,m\,v}$ ${\displaystyle r}$${\displaystyle r}$

El solenoide interior produce un campo magnético de dos teslas que rodea al detector interior. ^[33] Este alto campo magnético permite que incluso partículas muy energéticas se curven lo suficiente para que se pueda determinar su momento, y su dirección y fuerza casi uniformes permiten realizar mediciones con mucha precisión. Las partículas con momentos inferiores a aproximadamente 400 MeV se curvarán tan fuertemente que darán vueltas repetidamente en el campo y lo más probable es que no se puedan medir; sin embargo, esta energía es muy pequeña en comparación con los varios TeV de energía liberados en cada colisión de protones.

El campo magnético toroidal exterior es producido por ocho bucles de barril superconductores de gran tamaño con núcleo de aire y dos imanes toroidales de aire de menor tamaño en los extremos, lo que da un total de 24 bucles de barril, todos ellos situados fuera de los calorímetros y dentro del sistema de muones. ^[33] Este campo magnético se extiende en un área de 26 metros de largo y 20 metros de diámetro, y almacena 1,6  gigajulios de energía. Su campo magnético no es uniforme, porque un imán de solenoide de tamaño suficiente sería prohibitivamente caro de construir. Varía entre 2 y 8 teslámetros.

El detector ATLAS se complementa con un conjunto de cuatro subdetectores en la región delantera para medir partículas en ángulos muy pequeños. ^[34]

1. LUCID (LUminosity Cherenkov Integrating Detector)
   es el primero de estos detectores diseñado para medir la luminosidad, y está situado en la caverna ATLAS a 17 m del punto de interacción entre los dos extremos de los muones;
2. El ZDC (calorímetro de cero grados)
   está diseñado para medir partículas neutras en el eje del haz y está ubicado a 140 m del IP en el túnel del LHC, donde los dos haces se dividen en tubos de haz separados;
3. AFP (Atlas Forward Proton)
   está diseñado para etiquetar eventos difractivos y se encuentra a 204 m y 217 m;
4. ALFA (Absolute Luminosity For ATLAS)
   está diseñado para medir la dispersión elástica de protones ubicada a 240 m justo antes de los imanes de flexión del arco LHC.

Los sistemas de lectura de detectores de partículas y detección de eventos anteriores se basaban en buses compartidos paralelos como VMEbus o FASTBUS . Dado que una arquitectura de bus de este tipo no puede satisfacer los requisitos de datos de los detectores LHC, todos los sistemas de adquisición de datos ATLAS dependen de enlaces punto a punto de alta velocidad y redes de conmutación. Incluso con electrónica avanzada para la lectura y el almacenamiento de datos, el detector ATLAS genera demasiados datos brutos para leer o almacenar todo: alrededor de 25 MB por evento bruto, multiplicado por 40 millones de cruces de haz por segundo (40 MHz ) en el centro del detector. Esto produce un total de 1 petabyte de datos brutos por segundo. Al evitar escribir segmentos vacíos de cada evento (supresión de cero), que no contienen información física, el tamaño promedio de un evento se reduce a 1,6 MB , para un total de 64 terabytes de datos por segundo. ^{[1] [2] [3]}

El sistema de disparo ^{[1] [2] [3] [35]} utiliza una reconstrucción rápida de eventos para identificar, en tiempo real, los eventos más interesantes que se deben retener para un análisis detallado. En el segundo período de toma de datos del LHC, Run-2, hubo dos niveles de disparo distintos: ^[36]

1. El disparador de nivel 1 (L1), implementado en hardware personalizado en el sitio del detector, toma la decisión de guardar o rechazar los datos de un evento en menos de 2,5 μs. Utiliza información de granularidad reducida de los calorímetros y el espectrómetro de muones, y reduce la tasa de eventos en la lectura de 40  MHz a 100  kHz . Por lo tanto, el factor de rechazo L1 es igual a 400.
2. El disparador de alto nivel (HLT), implementado en software, utiliza una batería de computadoras que consta de aproximadamente 40.000  CPU . Para decidir cuáles de los 100.000 eventos por segundo que llegan desde L1 se deben guardar, se realizan análisis específicos de cada colisión en 200 μs. El HLT utiliza regiones limitadas del detector, las llamadas regiones de interés (RoI), que se reconstruirán con la granularidad completa del detector, incluido el seguimiento, y permite hacer coincidir los depósitos de energía con las pistas. El factor de rechazo del HLT es 100: después de este paso, la tasa de eventos se reduce de 100 a 1  kHz . Los datos restantes, correspondientes a unos 1.000 eventos por segundo, se almacenan para análisis posteriores. ^[37]

ATLAS registra permanentemente más de 10 petabytes de datos por año. ^[1] La reconstrucción de eventos fuera de línea se realiza en todos los eventos almacenados permanentemente, convirtiendo el patrón de señales del detector en objetos físicos, como chorros , fotones y leptones . La computación en cuadrícula se está utilizando ampliamente para la reconstrucción de eventos, lo que permite el uso paralelo de redes informáticas de universidades y laboratorios en todo el mundo para la tarea intensiva en CPU de reducir grandes cantidades de datos sin procesar en un formato adecuado para el análisis físico. El software para estas tareas ha estado en desarrollo durante muchos años y se están realizando mejoras, incluso después de que haya comenzado la recopilación de datos. Los individuos y grupos dentro de la colaboración están escribiendo continuamente su propio código para realizar análisis adicionales de estos objetos, buscando los patrones de partículas detectadas para modelos físicos particulares o partículas hipotéticas. Esta actividad requiere procesar 25 petabytes de datos cada semana. ^[1]

El investigador que aparece en la imagen de escala del famoso detector ATLAS es Roger Ruber, un investigador de la Universidad de Uppsala (Suecia). Ruber, uno de los investigadores responsables del imán criostato central del detector ATLAS, estaba inspeccionando los imanes del túnel del LHC al mismo tiempo que Maximilien Brice, el fotógrafo, se preparaba para fotografiar el detector ATLAS. Brice le pidió a Ruber que se situara en la base del detector para ilustrar la escala del detector ATLAS. Esto fue revelado por Maximilien Brice y confirmado por Roger Ruber durante las entrevistas en 2020 con Rebecca Smethurst de la Universidad de Oxford. ^[38]

• Propuesta técnica de ATLAS. Archivado el 2 de agosto de 2012 en Wayback Machine. CERN: El experimento Atlas. Recuperado el 10 de abril de 2007.
• "Informe técnico de diseño del detector ATLAS y rendimiento físico Archivado el 16 de mayo de 2003 en Wayback Machine ". CERN : El experimento Atlas. Recuperado el 10 de abril de 2007.
• NV Krasnikov; VA Matveev (septiembre de 1997). "Física en el LHC". Física de partículas y núcleos . 28 (5): 441–470. arXiv : hep-ph/9703204 . Código Bibliográfico :1997PPN....28..441K. doi :10.1134/1.953049. S2CID  118907038.
• El experimento Atlas Monica Lynn Dunford y Peter Jenni, Scholarpedia 9(10):32147. doi:10.4249/scholarpedia.32147

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con el experimento ATLAS.

• Página web pública oficial de ATLAS en el CERN (¡La "premiada película ATLAS" es una excelente introducción general!)
• Página web oficial de la colaboración ATLAS en el CERN (mucha información técnica y logística)
• Cámaras web de la caverna ATLAS Archivado el 20 de julio de 2017 en Wayback Machine
• Vídeo time-lapse del montaje
• Sección ATLAS del sitio web US/LHC
• Artículo del New York Times sobre el LHC y los experimentos
• Artículo del Departamento de Energía de los Estados Unidos sobre ATLAS Archivado el 1 de marzo de 2021 en Wayback Machine
• La directora del proyecto del Gran Colisionador de Hadrones, la Dra. Lyn Evans CBE, habla sobre la ingeniería detrás del experimento ATLAS, revista Ingenia, junio de 2008
• La Colaboración ATLAS, G Aad; et al. (14 de agosto de 2008). "El experimento ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN". Journal of Instrumentation . 3 (S08003): S08003. Bibcode :2008JInst...3S8003A. doi :10.1088/1748-0221/3/08/S08003. hdl : 2027.42/64167 . S2CID  250683252.(Documentación de diseño completa)
• Modelo LEGO de ATLAS, realizado por un científico de ATLAS en el Instituto Niels Bohr
• Padilla, Antonio (Tony). "ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones". Sesenta símbolos . Brady Haran para la Universidad de Nottingham .
• "ATLAS celebra los resultados de 1000 artículos sobre colisiones". ATLAS . Consultado el 3 de agosto de 2021 .
• Récord del experimento ATLAS en INSPIRE-HEP