超環面儀器(ATLAS)是歐洲核子研究組織的大型強子對撞器所配備的七大實驗探測器之一。此實驗專門為觀測涉及高質量粒子的現象而精心設計建造。超環面儀器的長度為44米,直徑為25米,總重量為7000噸,內部連接的電線長達3000公里。大約有來自38個國家174個學術機構的3000位科學家和工程師共同參與這實驗計劃。現在,一項稱為“美國ATLAS第一階段升級”的重大的實驗升級已獲得美國能源部的關鍵決策批準,表明該項目已完成并已過渡到運營。


美國ATLAS超環面儀器第一階段升級完成

歐洲核子研究組織大型強子對撞機上的ATLAS超環面探測器


由布魯克海文實驗室和斯托尼布魯克大學領導的美國ATLAS第一階段升級是為大型強子對撞機(HL-LHC高亮度大型強子對撞機)計劃的大型升級的初始階段。目的是大大提高大型強子對撞機的發光度,使科學家能夠從粒子碰撞中收集到10倍以上的數據,觀察非常罕見的過程,并就物質構造塊進行新發現。但是,首先,像ATLAS這樣的長期實驗需要進行初步升級,為大型強子對撞器過渡到高亮度大型強子對撞機模式之前的未來幾年做好準備。


布魯克海文實驗室的物理學家,副項目經理馬可·安德列普萊說:“十年來,ATLAS實驗一直處于高能粒子物理學探索和發現的前沿。盡管到目前為止我們已經學到了很多東西,但是我們對宇宙的當前理解不能解釋諸如暗物質,暗能量或反物質,物質不對稱性等現象。為ATLAS提供這些探測器升級將使我們能夠研究比以往更罕見的過程并闡明了我們對宇宙如何運作的了解不足或尚未探索的角落。”


美國ATLAS超環面儀器第一階段升級完成


電腦繪制的ATLAS探測器剖視圖


上圖為ATLAS探測器剖視圖,共分為4大部分:


1是μ子探測器


磁鐵系統:


(2)環狀磁鐵


(3)螺線管磁鐵


內部探測器:


(4)躍遷輻射跟蹤器


(5)半導體跟蹤器


(6)像素探測器


量能器:


(7)液態氬量能器


(8)磚片量能器


其中每一個部分又細分為好幾層。各個探測器的功能相輔相成:內部探測器精確地確定粒子的軌跡,量能器測量那些被截止粒子的能量,μ子系統則提供高度穿透性μ子的額外測量數據。磁鐵系統所產生的磁場促使帶電粒子在移動于內部探測器時發生偏轉,μ子譜儀可以從偏轉的曲率測得這些粒子的動量。


中微子是唯一不能直接被探測到的已知穩定粒子;從仔細分析被探測到的粒子的動量不平衡現象,可以推斷出中微子的存在。為了實現上述目標,探測器必須是密封探測器,并必須探測到所有除了中微子以外的粒子,避免存在有任何探測盲點。保持探測器在質子束附近的高輻射區具有良好性能,這是工程學的一個極大挑戰。


布魯克海文國家實驗室資深科學家項目主任喬納森·科徹爾說:“在歐洲核子研究中心發現希格斯玻色子后,這一里程碑將使我們進一步拓寬理解的范圍,這一發現也獲得了2013年諾貝爾物理學獎。該項目的完成是在能源前沿開展的物理學運動的重要一步,整合了最新的加速器和檢測器技術,以探測自然的基本力和自然粒子。”


美國ATLAS超環面儀器第一階段升級完成


ATLAS標志


美國ATLAS第一階段升級涉及建造現代電子設備,用更高效的元件替代老化的元件,但同時也為實驗提供了新的和改進的功能。


具體來說,該項目著重于ATLAS的三個組成部分:觸發/ 數據采集系統,液氬量熱計和前向μ子檢測器(稱為“新小輪”)。結合這三個組件的升級,將使科學家能夠更有效地以更高的數據收集速率收集數據。


美國ATLAS超環面儀器第一階段升級完成


布魯克海文物理學家唐少春與他為美國ATLAS第一階段升級項目設計的新型ATLAS觸發板


每秒鐘,ATLAS探測到數十億個質子-質子碰撞事件,但只記錄了幾百個。這些事件是由觸發系統選擇的,觸發系統將篩選大量無趣的事件,以尋找可能指向新物理學或罕見的標準模型的事件。數據采集系統將數據從檢測器移至觸發系統,然后將選定的事件存儲到存儲器中以進行進一步的分析。對該系統的升級將提高其選擇關鍵事件的能力。


量熱儀電子設備的升級將提高來自量熱儀檢測器的數據精度。新型小輪將極大地提高ATLAS的觸發能力和效率,可應對帶有介子,亞原子粒子的事件。


美國12所大學和美國能源部的阿貢國家實驗室與布魯克海文實驗室合作,在預算內按時完成了美國ATLAS第一階段升級。這個耗資4400萬美元的升級項目得到了美國能源部(3300萬美元)和美國國家科學基金會(1100萬美元)的支持。


關于大型強子對撞器


大型強子對撞機是粒子物理科學家為了探索新的粒子,和微觀量化粒子的‘新物理’機制設備,是一種將質子加速對撞的高能物理設備,英文名稱為LHC(Large Hadron Collider)。

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