超环面仪器(ATLAS)是欧洲核子研究组织的大型强子对撞器所配备的七大实验探测器之一。此实验专门为观测涉及高质量粒子的现象而精心设计建造。超环面仪器的长度为44米,直径为25米,总重量为7000吨,内部连接的电线长达3000公里。大约有来自38个国家174个学术机构的3000位科学家和工程师共同参与这实验计划。现在,一项称为“美国ATLAS第一阶段升级”的重大的实验升级已获得美国能源部的关键决策批准,表明该项目已完成并已过渡到运营。


美国ATLAS超环面仪器第一阶段升级完成

欧洲核子研究组织大型强子对撞机上的ATLAS超环面探测器


由布鲁克海文实验室和斯托尼布鲁克大学领导的美国ATLAS第一阶段升级是为大型强子对撞机(HL-LHC高亮度大型强子对撞机)计划的大型升级的初始阶段。目的是大大提高大型强子对撞机的发光度,使科学家能够从粒子碰撞中收集到10倍以上的数据,观察非常罕见的过程,并就物质构造块进行新发现。但是,首先,像ATLAS这样的长期实验需要进行初步升级,为大型强子对撞器过渡到高亮度大型强子对撞机模式之前的未来几年做好准备。


布鲁克海文实验室的物理学家,副项目经理马可·安德列普莱说:“十年来,ATLAS实验一直处于高能粒子物理学探索和发现的前沿。尽管到目前为止我们已经学到了很多东西,但是我们对宇宙的当前理解不能解释诸如暗物质,暗能量或反物质,物质不对称性等现象。为ATLAS提供这些探测器升级将使我们能够研究比以往更罕见的过程并阐明了我们对宇宙如何运作的了解不足或尚未探索的角落。”


美国ATLAS超环面仪器第一阶段升级完成


电脑绘制的ATLAS探测器剖视图


上图为ATLAS探测器剖视图,共分为4大部分:


1是μ子探测器


磁铁系统:


(2)环状磁铁


(3)螺线管磁铁


内部探测器:


(4)跃迁辐射跟踪器


(5)半导体跟踪器


(6)像素探测器


量能器:


(7)液态氩量能器


(8)砖片量能器


其中每一个部分又细分为好几层。各个探测器的功能相辅相成:内部探测器精确地确定粒子的轨迹,量能器测量那些被截止粒子的能量,μ子系统则提供高度穿透性μ子的额外测量数据。磁铁系统所产生的磁场促使带电粒子在移动于内部探测器时发生偏转,μ子谱仪可以从偏转的曲率测得这些粒子的动量。


中微子是唯一不能直接被探测到的已知稳定粒子;从仔细分析被探测到的粒子的动量不平衡现象,可以推断出中微子的存在。为了实现上述目标,探测器必须是密封探测器,并必须探测到所有除了中微子以外的粒子,避免存在有任何探测盲点。保持探测器在质子束附近的高辐射区具有良好性能,这是工程学的一个极大挑战。


布鲁克海文国家实验室资深科学家项目主任乔纳森·科彻尔说:“在欧洲核子研究中心发现希格斯玻色子后,这一里程碑将使我们进一步拓宽理解的范围,这一发现也获得了2013年诺贝尔物理学奖。该项目的完成是在能源前沿开展的物理学运动的重要一步,整合了最新的加速器和检测器技术,以探测自然的基本力和自然粒子。”


美国ATLAS超环面仪器第一阶段升级完成


ATLAS标志


美国ATLAS第一阶段升级涉及建造现代电子设备,用更高效的元件替代老化的元件,但同时也为实验提供了新的和改进的功能。


具体来说,该项目着重于ATLAS的三个组成部分:触发/ 数据采集系统,液氩量热计和前向μ子检测器(称为“新小轮”)。结合这三个组件的升级,将使科学家能够更有效地以更高的数据收集速率收集数据。


美国ATLAS超环面仪器第一阶段升级完成


布鲁克海文物理学家唐少春与他为美国ATLAS第一阶段升级项目设计的新型ATLAS触发板


每秒钟,ATLAS探测到数十亿个质子-质子碰撞事件,但只记录了几百个。这些事件是由触发系统选择的,触发系统将筛选大量无趣的事件,以寻找可能指向新物理学或罕见的标准模型的事件。数据采集系统将数据从检测器移至触发系统,然后将选定的事件存储到存储器中以进行进一步的分析。对该系统的升级将提高其选择关键事件的能力。


量热仪电子设备的升级将提高来自量热仪检测器的数据精度。新型小轮将极大地提高ATLAS的触发能力和效率,可应对带有介子,亚原子粒子的事件。


美国12所大学和美国能源部的阿贡国家实验室与布鲁克海文实验室合作,在预算内按时完成了美国ATLAS第一阶段升级。这个耗资4400万美元的升级项目得到了美国能源部(3300万美元)和美国国家科学基金会(1100万美元)的支持。


关于大型强子对撞器


大型强子对撞机是粒子物理科学家为了探索新的粒子,和微观量化粒子的‘新物理’机制设备,是一种将质子加速对撞的高能物理设备,英文名称为LHC(Large Hadron Collider)。

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