experimento atlas - Wikilingue - Encydia
 Corrente de aceleradores do Grande Colisionador de Hadrones (LHC) | |
| Experimentos | |
| ATLAS | Aparelho Toroidal do LHC |
| CMS | Solenoide Compacto de Muones |
| LHCb | LHC-beauty |
| ALICE | Grande Colisionador de Iones |
| TOTEM | Secção de Cruze total, diseminación elástica e disociación por difracción. |
| LHCf | LHC-atacante |
| Preaceleradores | |
| p e Pb | Acelerador linear de protónes e Chumbo |
| (não marcado) | Lanzador de Protones do Sincrotrón |
| PS | Sincrotrón de protones. |
| SPS | Supersincrotrón de protones. |
O ATLAS (A T oroidal LHC A pparatuS, Aparelho Toroidal do LHC) é um dos cinco detectores de partículas (junto ao ALICE, CMS, TOTEM e LHCb) em construção no Grande Colisionador de Hadrones, o novo acelerador de partículas do CERN em Suíça. Seu tamanho será de 45x25 metros, e pesará umas 7000 toneladas. No projecto estão implicados uns 2000 cientistas e engenheiros de 151 instituições pertencentes a 34 países diferentes. Espera-se que esteja plenamente operativo a princípios de 2008 . Deste experimento espera-se que detecte partículas muito em massa não detectables anteriormente, que operavam a menores energias, e que contribua luz a novas teorias físicas para além do Modelo Regular.
O grupo de físicos que está a construir o detector, conhecido como Colaboração ATLAS, se formou em 1992, ao se fundir os experimentos EAGLE (Experiment for Accurate Gama, Lepton and Energy Measurements, Experimento para a Medida Precisa de Gamas e Leptones) e ASCOT (Apparatus with Super COnducting Toroids, Aparelho com Toroides SuperCOnductores), para dar lugar a um único detector multipropósito para o LHC. O desenho de ATLAS é uma combinação de ambos experimentos, além de ideias contribuídas durante o desenho e investigação do Supercolisionador superconductor. O ATLAS tal e como está agora se concebeu em 1994, e obteve o financiamento oficial a princípios de 1995. Outros países, laboratórios e universidades uniram-se ao projecto nos anos seguintes, e inclusive na actualidade (2007) seguem-se somando participantes. Os trabalhos de montagem começaram na cada grupo de forma individual, e em 2003 começaram os trabalhos de montagem insitu .
O ATLAS é um detector multipropósito. Quando os fazes de protones produzidos pelo acelerador interactúen no centro do detector, produzir-se-ão uma série de partículas com uma ampla faixa de energias. Mais que se centrar em um determinado tipo de partículas, o ATLAS se desenhou para que meça o maior intervalo possível de energias. Pretende-se que, seja qual seja o processo produzido ou as partículas geradas, o ATLAS seja capaz das detectar e medir suas propriedades. Experimentos anteriores, como o Tevatrón e o LEP, foram desenhados com um propósito similar. No entanto, as condições únicas de operação do ATLAS (energias nunca vistas e um ritmo de colisões extremamente elevado) fazem de seu desenho o mais complexo até a data.
Conteúdo |
Base teórica
O primeiro ciclotrón, um dos primeiros aceleradores de partículas, foi criado por Ernest Ou. Lawrence em 1931, com uma rádio de poucos centímetros e energias de até 1 MeV. Desde então, os aceleradores têm ido crescendo enormemente em tamanho e energia procurando gerar partículas de maiores massas. Junto ao crescimento dos aceleradores tem ido aumentando a lista de partículas conhecidas. O modelo que se usa na actualidade, muito provado e sólido, é o Modelo Regular; detectaram-se todas as partículas que o formam, excepto o Bosón de Higgs. O Modelo Regular acha-se que não funciona a energias acima da máxima produzida na actualidade, 1 TeV (no Tevatrón). Espera-se que a teoria mais-lá-de o-Modelo-Regular, idéntida ao Modelo Regular às energias asequibles na actualidade, descreva partículas a energias muito superiores. Muitas destas teorias predizem partículas de massa muito maior. O LHC, de 27 km de circunferencia, colisionará dois fazes de protones a energias sete milhões de vezes superiores ao do primeiro acelerador. Será capaz de produzir partículas mais dez vezes pesadas que as actuais, se existem.
Aparte de produzir ditas partículas, estas devem ser observadas, e essa é a tarefa dos detectores. Desde os anos 70, os detectores desenham-se em capas, como as cebollas, capas que rodeiam o ponto de interacção (onde colisionan ambos fazes). A cada capa é diferente, e permitem detectar o tipo de partícula, sua energia (massa) e seu momento. Conforme cresce a energia das novas partículas geradas, os novos detectores devem ser capazes de freá-las e medí-las. Assim, o ATLAS é o maior detector até a data, capaz de medir as propriedades das muito em massa partículas geradas no LHC.
Programa científico
Do ATLAS espera-se que pesquise os novos tipos de partículas que possam ser detectados nas colisões de alta energia do LHC. Algumas delas suporão a confirmação ou não do Modelo Regular, enquanto outras podem dar lugar a novas teorias.
Uma das mais importantes tarefas do ATLAS é detectar a última peça do puzzle chamado Modelo Regular: o bosón de Higgs. O mecanismo de Higgs, no qual intervém dito bosón, é o que lhe dá a massa às partículas elementares, diferenciando a força débil e a interacção electromagnética. Dito mecanismo explica satisfatoriamente a massa dos bosones W e Z e a massa nula em repouso dos fotones. Se não se descobre o bosón de Higgs, se espera que outro mecanismo de rompimento da simetría electrodébil possa ser deduzido, como o Tecnicolor. Sem esse mecanismo, o Modelo Regular é matematicamente inconsistente aos níveis de energia que atingirá LHC. O bosón de Higgs pode que se detecte a partir das partículas que se desintegren nele. As mais interacções mais plausibles são as que envolvem duas fotones, duas quarks fundo ou quatro leptones. Em ocasiões, essas desintegrações só podem ser detectadas inequivocamente se vão associadas a partículas adicionais (diagrama).
Também pesquisar-se-á a asimetría entre matéria e antimateria, conhecida como violação CP. Os experimentos actuais de violação CP, como BaBar e Belle, não têm detectado suficiente violação no Modelo Regular como para explicar a falta de antimateria detectable no Universo. É possível que os novos modelos físicos introduzam violações adicionais, aclarando algo este problema; estes novos modelos pode que detectem estas violações mediante a produção de partículas adicionais ou mediante medidas indirectas das propriedades dos mesones B (caminho seguido pelos experimentos LHCb e LHC; é possível que o caminho correcto seja o primeiro).
As propriedades do quark acima, descoberto no Fermilab em 1995, só têm sido descritas parcialmente. Com maiores energias e maiores ratios de produção, o LHC produzirá grandes quantidades de quark acima, podendo assim medir suas propriedades com maior precisão e exactidão, além de medir sua interacção com outras partículas. Estas medidas darão informação indirecta a respeito dos detalhes do Modelo Regular, inclusive pode que revele inconsistencias que possam ser o ponto de partida para novas teorias; por exemplo, o ATLAS pode que meça a massa do bosón W com uma precisão maior que a actual.
Possivelmente, as linhas de investigação mais interessantes são aquelas que procuram directamente novos modelos físicos. Uma teoria que se está a pesquisar activamente na actualidade é o rompimento da supersimetría. Esta teoria é popular já que soluciona um número de problemas de física teórica que estão presentes em praticamente todos os modelos de sensatas . Estes modelos supersimétricos implicam partículas novas e muito em massa; em muitas ocasiões, se desintegran dando lugar a quarks muito energéticos e partículas estáveis pesadas das que se espera que interaccionen pouco com a matéria ordinária. Estas partículas estáveis escapariam ao detector, deixando como sinal uma ou mais jets de quarks e uma grande quantidade de momento perdido". Outras hipotéticas partículas em massa, como as que descreve a teoria de Kaluza-Klein, poderiam deixar sinais parecidas, deixando ver que há uma nova física para além do Modelo Regular.
Componentes
O ATLAS consta de uma série de cilindros concêntricos de tamanhos crescentes que rodeiam o ponto de interacção, onde colisionan os fazes de protones. Divide-se em quatro partes principais: o Detector Interno, os calorímetros, o espectrómetro de muones e os ímans externos. A cada parte se subdivide a sua vez em mais capas. Os detectores são complementares: o Detector Interno determina a trajectória da cada partícula, os calorímetros medem a energia das partículas pouco penetrantes, e os sistemas muónicos medem parámetros adicionais dos muones muito penetrantes. Os ímans externos dobram a trajectória das partículas detectadas no Detector Interno e o espectrómetro de muones, permitindo medir seu momento.
Os neutrinos são as únicas partículas não detectables directamente. Para esta tarefa, o detector deve ser "hermético" e detectar todos os não-neutrinos produzidos, sem pontos cegos. Assegurar o bom funcionamento das capas mais internas, submetidas a um alto nível de radiación, é um repto ingenieril.
O Detector Interno
O Detector Interno começa a poucos centímetros do eixo de colisão, e estende-se até 1,2 metros ao redor. Tem 7 metros de longitude em forma de encanamento. Sua principal função é traçar (determinar a trajectória) das partículas carregadas medindo sua interacção com a matéria em certos pontos, revelando assim o tipo de partícula produzida e seu momento. O campo magnético que banha este detector provoca que as partículas carregadas sigam trajectórias curvas; a direcção de dita curva revela o ónus da partícula e sua rádio de curvatura seu momento. Os pontos iniciais das trajectórias dão informação a respeito do tipo de partícula; assim, se um grupo de trajectórias parecem se originar em pontos diferentes ao da colisão protón-protón, pode ser indicativo de partículas procedentes da desintegração de um quark abaixo. O Detector Interno tem três partes, detalhadas a seguir.
O Detector Pixel, a parte interna, está formada por três capas e três discos na cada extremo, com um total de 1744 módulos, a cada um de 6x2 cm. O material detector é uma capa de 250 μm de sílice . A cada módulo consta de 16 circuitos integrados e outros componentes electrónicos. A mínima unidade mensurable é um pixel de 50x400 micras; há uns 47000 pixels por módulo. Seu diminuto tamanho serve para poder medir com precisão trajectórias muito próximas no ponto de colisão. Ao todo, o Detector Pixel tem 80 milhões de canais de saída, aproximadamente a metade do total; tal quantidade tem suposto um desafio de desenho e fabricação. Outro desafio importante é a radiación à que ver-se-ão submetidos estes componentes, por isso todos os componentes electrónicos estão blindados contra as radiaciones, para que seu rendimento não se degrade com o tempo.
O Rastreador Semiconductor (SCT, Semi-Condutor Tracker) está situado na parte média do detector. É similar quanto a desenho e funcionamento ao Detector Pixel, mas a cada módulo é mais longo e estreito, permitindo cobrir grandes áreas. A cada banda mede 80 micras por 12,6 cm. O SCT é a parte mais importante do Detector Interno quanto a medir trajectórias no plano perpendicular ao do faz, já que mede partículas em uma área mais extensa que o Detector Pixel, com mais pontos de medida e uma precisão parecida. Está formada por quatro capas duplas de sílice , tem 6,2 milhões de canais de saída e uma área total de 61 m2.
O Detector de Radiación de Transição (TRT, Transition Radiation Tracker) é o detector mais externo, e é uma combinação de um "rastreador de pajitas" e um "detector de radiación de transição". Contém grande quantidade de "pajitas", a cada uma de 4 milímetros de diâmetro e 144 de longitude. Sua resolução é menor que a dos outros dois detectores, uma solução necessária para cobrir um grande volume com um desenho complementar. A cada "pajita" está recheada de um gás que se ioniza quando passa uma partícula carregada. Estes iones produzem uma corrente em uma dos condutores de alto voltaje que atravessam a pajita, criando um padrão de sinais em muitas destas que permite reconstruir a trajectória da partícula. Também contém materiais de diferentes índices de refração, provocando que se emita radiación de transição e permitindo a geração de sinais mais fortes na cada pajita. Já que a quantidade de radiación de transição produzida é bastante grande em partículas relativistas (partículas com uma velocidade comparável à velocidade da luz), e a velocidade de uma partícula é inversamente proporcional a sua massa, é de esperar que as partículas mais ligeiras deixem maiores sinais. Assim, os sinais mais intensos podem dever aos elétrons. O TRT consta de 351000 pajitas ao todo.
Calorímetros
Os calorímetros situam-se no exterior do solenoide magnético que rodeia ao detector interno. Seu propósito é medir a energia da cada partícula absorvendo-a. Há dois sistemas básicos: um calorímetro electromagnético interno e um calorímetro hadrónico externo. Ambos são calorímetros de muestreo, isto é, absorvem energia mediante metais muito densos e periodicamente medem a forma da chuva de partículas resultante, inferindo a energia da partícula original através destas medidas.
O calorímetro electromagnético absorve a energia das partículas que interaccionan electromagnéticamente, incluindo partículas carregadas e fotones. Tem uma grande precisão, tanto na medida da energia depositada como em sua localização exacta. O ângulo entre a trajectória da partícula e o eixo do faz de protones pode ser medido com uma precisão de uns 0,025 radianos. Os materiais absorbentes são chumbo e aço inoxidável, com argón líquido como material de muestreo. É necessário um criostato para manter o calorímetro o suficientemente frio.
O calorímetro hadrónico absorve a energia das partículas que atravessam o electromagnético, mas interaccionan através da força forte; estas partículas são geralmente hadrones. É menos preciso, tanto em termos de energia como de localização (uma precisão angular de 0,1 radianos). O material absorbente é aço, com escintiladores em forma de baldosas que medem a energia depositada. Muitas das características deste calorímetro é sua relação custo-efectividad; é grande e requer uma grande quantidade de material: a maior parte do calorímetro é um cilindro de 12 metros de longo e 8 de diâmetro, concêntrico ao faz de protones. As partes exteriores estão contidas dentro do criostato do calorímetro electromagnético, e usa argón líquido como refrigerante.
Espectrómetro muónico
O espectrómetro muónico é um sistema de rastreamento extremamente grande, e estende-se desde os calorímetros até a parte mais externa do detector. Seu grande tamanho é necessário para medir com precisão o momento dos muones, que são capazes de atravessar as partes internas do detector; é uma parte vital porque os muones são indicativos de muitos processos físicos, e porque não poder-se-ia medir com precisão a energia total envolvida em um evento se fossem ignorados. Funciona de maneira parecida ao detector interno, com os muones curvando suas trajectórias para poder identificar seu momento, ainda que seu campo magnético é diferente, tem menor precisão espacial e um volume muito maior. Também se utiliza para identificar muones simplesmente; espera-se que muito poucas partículas atravessem o detector interno e os calorímetros e por tanto deixem sinais nesta parte. Tem aproximadamente um milhão de canais de saída e a área ocupada por suas detectores é de 12000 m2.
Sistema de ímans
O ATLAS utiliza dois grandes ímans para curvar a trajectória das partículas carregadas, com o objecto de poder medir seu momento. Esta curvatura se deve à força de Lorentz, e é proporcional à velocidade. Já que a maioria de partículas geradas viajarão a uma velocidade próxima à da luz, dita força é a mesma para partículas com diferentes momentos. Assim, as partículas com um momento elevado curvar-se-ão pouco, enquanto as que tenham pouco momento terão uma rádio de curvatura maior; dito rádio de curvatura pode quantificar-se e deduzir daí o momento para a cada uma.
O solenoide interno produz um campo magnético de dois teslas, que rodeia ao Detector Interno. Este campo tem a intensidade suficiente como para curvar partículas muito energéticas, e sua uniformidad e intensidade permite que as medidas sejam muito precisas. Partículas com um momento menor a 400 MeV sofrerão tal curvatura que entrarão em um bucle e por tanto é pouco provável que possam ser medidas. De todas formas, esta energia é muito pequena comparada com os vários TeV libertados na cada colisão protón-protón.
O campo magnético externo, de forma toroidal, é produzido por oito grandes bucles ocos e dois terminadores, ambos situados no exterior dos calorímetros e dentro do espectrómetro muónico. Este campo magnético tem 26 metros de longo e 20 de diâmetro, armazenando 1,2 GJ de energia. É um campo magnético não uniforme, porque um solenoide que fosse capaz resultaria tão grande sua construção seria antieconómica. Felizmente, as medidas não precisam uma grande precisão devido ao grande tamanho do sistema muónico.
Sistemas de análise de dados
O disparador usa informação simples para detectar os eventos mais interessantes dentre os 40 milhões de fazes que chocam a cada segundo no centro do detector. Há três níveis de disparo": o primeiro está baseado na electrónica do detector e os dois restantes executam-se em um grande cluster situado cerca do detector. Quando o primeiro nível detecta um evento, se seleccionam 100.000 eventos próximos, e quando se dispara o terceiro nível várias centenas de eventos se armazenam para sua posterior análise. Isto equivale a uns 100 Mb por segundo, um total de 1 Petabyte ao ano.
Efectua-se uma reconstrução off-line da cada evento armazenado, transformando a cada padrão de sinais saído do detector em partículas físicas, como jets, fotones e leptones. Está previsto usar computação em rede (grid computing) para analisar a cada evento, permitindo o uso de recursos computacionales externos (universidades, centros de cálculo, etc.). O software encarregado da análise destes dados tem estado em fase de desenvolvimento durante anos e seguir-se-á melhorando depois do início do experimento.
Está previsto que os utentes destes dados, como científicos e grupos de investigação escrevam seus próprios programas para analisar os dados em bruto, com o objectivo de detectar novas partículas ou comprovar modelos físicos. Até o momento levaram-se a cabo simulações das colisões, permitindo prever com certa confiança que novas partículas descobrir-se-ão e o nível de certeza destes eventos.
Existe um projecto, Lhc@home, que tem permitido ajudar a desenhar o acelerador, com a colaboração desinteresada dos internautas de todo mundo.
Referências
- Proposta Técnica do ATLAS
- Relatório Técnico de Desenho e Rendimento do detector ATLAS
- N. V. Krasnikov, V. A. Matveev (Setembro 1997). «Physics at the large hadron collider». Phys. Part. Nucl. 28 (5): pp. 441–470. http://arxiv.org/abs/hep-ph/9703204.
Enlaces externos
Wikimedia Commons alberga conteúdo multimédia sobre Experimento ATLAS.Commons
- Página oficial do ATLAS no CERN (A "ATLAS movie" é uma boa introdução geral!)
- Dados técnicos do ATLAS no CERN (Montões de dados e informação técnica)
- Webcams na caverna do ATLAS
- Artigo de PhysicsWorld sobre o CERN e sua física.
- Artigo do New York Times falando dos experimentos do LHC.
- Artigo sobre o ATLAS do Departamento de Energia estadounidense
- Panoramas VR do ATLAS.
- Multimédia sobre a colisão de partículas no ATLAS
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