Selfies des ATLAS-Detektors • Igor Ivanov • Wissenschaftliches Bild des Tages über "Elemente" • LHC, Physik

Selfie Detektor ATLAS

Kann die Kamera ihr eigenes Selfie mit all ihren dreidimensionalen Eingeweiden aufnehmen? Nein. Kann ein Mikroskop im Rahmen einer "Selbsttest" -Sitzung seine eigene Struktur berücksichtigen? Wahrscheinlich auch nicht. Aber der moderne Elementarteilchen-Detektor ist dazu in der Lage! Die Abbildung zeigt die Struktur des inneren Teils des ATLAS-Detektors, des größten Detektors des Large Hadron Colliders, mit der Struktur, die aus den Daten dieses Detektors selbst erhalten wurde. Das ist das wahre Selfie des ATLAS-Detektors: Durch das Registrieren von Elementarteilchen "sieht" es sich selbst!

Eine solche Fähigkeit zur "Selbstbetrachtung" entsteht, weil Elementarteilchen, die mit Atomen der Materie kollidieren, neue Teilchen erzeugen können – und der Detektor fängt sie bereits ab. Wie in der folgenden Abbildung gezeigt, werden die Anfangspartikel in der Mitte des Detektors an der Stelle erzeugt, an der die Protonen kollidieren. Diese Teilchen streuen in alle Richtungen und durchdringen die Schichten des Detektors, wobei sie ihre Spuren hinterlassen. Der Detektor mit guter Genauigkeit stellt ihre Trajektorien wieder her, extrapoliert sie zurück und sieht, dass sie an einem Punkt mehr oder weniger zusammenlaufen. Es wird die "primäre Spitze" der Kollision genannt.

Die Entstehung eines sekundären Scheitelpunktes bei der Kollision eines Elementarteilchens mit dem Material des Detektors

Aber manchmal passiert es, dass beim Durchdringen der Schichten des Detektors ein hochenergetisches Teilchen frontal mit einer Art Nukleus der Detektorsubstanz kollidiert und mehrere neue Teilchen erzeugt. Ihre Trajektorien werden auch vom Detektor wiederhergestellt, aber nur er "sieht", dass sie von einem anderen Punkt aus fliegen – vom "sekundären Scheitelpunkt". Je dicker die Materieschicht ist, desto häufiger tritt dort eine Kollision auf und desto häufiger registriert der Detektor dort sekundäre Peaks. Die obere Abbildung zeigt die räumliche Verteilung dieser durch den ATLAS-Detektor rekonstruierten sekundären Knoten. Jeder kleine Punkt ist ein separater registrierter sekundärer Knoten, und wenn ihre Dichte groß wird, wird sie mit Farbe codiert: je "heißer" sie ist, desto größer ist die Dichte der Punkte.

Die obere Abbildung zeigt eine Ansicht entlang der Achse des Detektors. Und hier wird die gleiche Verteilung auf der Seite (oder vielmehr in den Koordinaten) angezeigt r und z wenn über alle Azimutwinkel summiert wird):

Die Struktur des inneren Teils des ATLAS-Detektors in Koordinaten r (Abstand von der Achse) und z (entlang der Achse). Bild von der Website atlas.web.cern.ch

Nun, die psychedelischste Selfies-Version wird hier gezeigt:

Die Struktur des inneren Teils des ATLAS-Detektors in Koordinaten r (Abstand von der Achse) und ϕ (Winkel) Bild von der Website atlas.web.cern.ch

Dies ist ein "Selbstporträt" in der Umgebung |z| <40 cm in Form eines Sweeps über den Azimutwinkel und radiale Entfernung. Das breite Band an der Unterseite ist eine Vakuumröhre, und die einzelnen periodischen Teile sind die "Kachelbretter" der Pixeldetektorschichten. Zum Vergleich ist unten ein echtes Foto der äußeren Schicht des ATLAS-Pixeldetektors während des Montageprozesses.

All diese "Selfies" wurden 2010 vom ATLAS-Detektor empfangen, als der Collider gerade erst an Fahrt gewann. Sie basieren auf Statistiken, die millionenfach geringer sind als jene, die während der gesamten Run-1-Sitzung in den Jahren 2010-2012 gesammelt wurden. Diese technischen Bilder werden benötigt, um die Funktionsfähigkeit des Detektors selbst zu überprüfen und den Hintergrund, der sich aus einer solchen "Beleuchtung" sekundärer Peaks ergibt, zuverlässig abzuschätzen. Überraschenderweise erschien die vollständige Publikation mit einer detaillierten Beschreibung dieser Bilder erst vor wenigen Tagen im E-Print-Archiv (Tracker mit sekundären hadronischen Wechselwirkungen in 7 TeV pp Kollisionen). Alle Bilder und Tabellen aus diesem Artikel werden ebenfalls auf einer separaten Seite auf der ATLAS-Website gesammelt.

Die äußere Schicht des ATLAS Pixeldetektors während der Installation. Foto von atlasexperiment.org

Dies ist übrigens nicht das einzige Beispiel für die Selbstdiagnose der Detektoren des Large Hadron Collider. Wir haben bereits über das ähnliche Selfie des ALICE-Detektors geschrieben, aber dort wurden die sekundären Peaks nicht durch Hadronen, sondern durch die Spitzen der internen Umwandlung von harten Photonen in Elektron-Positron-Paare wiederhergestellt. Aber die Bilder und dort sind schön geworden.

Schließlich müssen wir hinzufügen, dass sekundäre Eckpunkte natürlich nicht nur aufgrund instrumenteller Effekte, sondern auch spontan entstehen können. Ein instabiles Teilchen, zum Beispiel ein B-Meson, wird an der primären Spitze geboren, fliegt einige Millimeter entfernt und zerfällt bereits in Tochterpartikel. Es ist für solche sekundären Spitzen, dass die Detektoren nach echten suchen. In der Tat ist die gesamte B-Physik die Jagd nach den "richtigen" sekundären Spitzen.

Bild von atlas.web.cern.ch.

Igor Iwanow


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