Научный взгляд на устройство вселенной

284 АППАРАТУРА, 
ИЗМЕРЕНИЯ 
И ВЕРОЯТНОСТИ
точность каждого измерения. Сейчас мы с вами совершим экскур-
сию по экспериментальным установкам вслед за частицами и по-
смотрим, как россыпь частиц, вылетающих из точки столкнове-
ния, превращается в массив легко распознаваемой информации.
ТРЕКЕРЫ
В самой глубине детектора, ближе всего к зоне взаимодействия, 
располагаются так называемые трекеры. Их задача — точно за-
фиксировать положение вылетающих из зоны заряженных частиц, 
чтобы затем можно было восстановить траекторию каждой части-
цы и измерить импульс. И в CMS, и в ATLAS трекеры включают 
в себя несколько концентрических компонент.
Ближайшие к пучку и зоне взаимодействия слои состоят 
из самых мелких сегментов и обеспечивают б
о
льшую часть дан-
ных. В этом слое, который начинается в нескольких сантиметрах 
от протонной трубки, располагаются кремниевые 
пиксели
с кро-
хотными датчиками. Их задача — чрезвычайно точное фиксиро-
вание положений частиц возле самой точки взаимодействия, где 
плотность потока частиц максимальна. Кремний используется 
в современной электронике потому, что на каждом крохотном его 
кусочке можно вытравить множество тонких элементов, и детек-
торы элементарных частиц используют его по той же причине. 
Пиксельные элементы CMS и ATLAS способны отслеживать пролет 
заряженных частиц с чрезвычайно высоким разрешением. Соеди-
няя пиксели друг с другом и с точкой взаимодействия, из которой 
разлетаются частицы, экспериментаторы очень точно восстанав-
ливают траектории, по которым проходят частицы во внутренней 
области детектора в непосредственной близости от пучка.
Первые три слоя детектора CMS — от самого внутреннего 
до радиуса 11 см — состоят из пикселей размером 100 × 150 мкм; 
всего таких пикселей 66 млн. Внутренний пиксельный детектор 
ATLAS не менее точен. Самая мелкая единица внутренней части 
детектора, с которой можно считать информацию, имеет размер 
50 × 400 мкм; полное число таких пикселей в ATLAS — около 
82 млн, то есть немного больше, чем в CMS.

ЭКСПЕРИМЕНТЫ CMS И ATLAS 285
Пиксельным детекторам с их десятками миллионов ячеек не-
обходима сложная электронная система, обеспечивающая надеж-
ное и своевременное считывание информации. Быстродействие 
и масштабы системы считывания, а также сильнейшее излучение, 
которому будут подвергаться элементы внутренних детекторов, — 
вот главные технические проблемы, которые пришлось решать 
при создании обеих установок (рис. 35).
Внутренние трекеры состоят из трех слоев; соответственно, 
для каждой достаточно долго живущей заряженной частицы, про-
ходящей сквозь них, фиксируется по три точки. Начатые здесь тре-
ки будут продолжены в следующих слоях и в конце концов дадут 
устойчивый след, который можно будет однозначно соотнести 
с какой-то определенной частицей.
Мы с Мэттью Бакли уделили серьезное внимание геометрии 
внутренних трекеров. Мы поняли, что по случайному совпаде-
нию некоторые возникшие при столкновении новые заряженные 
частицы, распадающиеся через слабое взаимодействие до своих 
нейтральных партнеров, оставят после себя след длиной всего 
несколько сантиметров. Это означает, что в этих особых случаях 
их путь целиком будет лежать в пределах толщины внутреннего 
трекера, и помимо считанной здесь информации ничего об этих 
частицах известно не будет. Мы рассмотрели дополнительные 
трудности, с которыми столкнутся экспериментаторы в подобных 
ситуациях — ведь им придется опираться только на данные с пик-
селей самых глубоких слоев внутреннего детектора.
Большинство заряженных частиц, однако, живут достаточ-
но долго, чтобы добраться до следующего элемента трекера, так 
что чаще всего детекторы регистрируют гораздо более длинную 
траекторию. Для этого снаружи от внутренних пиксельных детек-
торов, дающих высокое разрешение в двух направлениях, распо-
лагаются кремниевые стрипы (полоски), размеры которых в од-
ном направлении сильно уступают размерам в другом. Длинные 
стрипы хорошо согласуются с цилиндрической формой установки 
и позволяют покрыть гораздо бо льшую площадь (не забывайте, 
что площадь цилиндра с увеличением радиуса быстро увеличи-
вается).

286 АППАРАТУРА, 
ИЗМЕРЕНИЯ 
И ВЕРОЯТНОСТИ
РИС
. 35.
Чинция Да Виа и инженер Доменико Даттола на лесах перед 
одной из головок кремниевого трекера CMS, куда подводятся кабели 
считывающей системы
Кремниевый трекер CMS состоит из 13 слоев в центральной 
части и 14 — на концах цилиндра. После первых трех мелкопик-
сельных слоев, которые мы только что описали, идут четыре слоя 
кремниевых стрипов. Детекторные элементы здесь представля-
ют собой полоски длиной 10 см и шириной 180 мкм. Остальные 
шесть слоев еще менее точны и дают более грубые координаты. 
Полоски здесь имеют длину 20 см, а ширину от 80 до 205 мкм. 
Эти слои достигают радиуса 1,1 м. Полное число кремниевых по-
лосок во внутреннем трекере CMS составляет 9,6 млн. Все они 
необходимы для надежного восстановления траекторий боль-
шинства пролетающих сквозь них заряженных частиц. В целом, 
если развернуть все кремниевые слои на плоскости, внутренний 
детектор CMS покроет примерно площадь теннисного корта — 
значительное достижение по сравнению с предыдущим кремни-
евым детектором, чувствительные элементы которого занимали 
площадь всего около 2 м
2
.

ЭКСПЕРИМЕНТЫ CMS И ATLAS 287
Внутренний детектор ATLAS доходит до несколько меньше-
го радиуса — 1 м — и тянется в продольном направлении на 7 м. 
Как и в CMS, снаружи от трех внутренних пиксельных слоев распо-
лагается полупроводниковый стриповый детектор SCT, состоящий 
из четырех слоев кремниевых стрипов. В ATLAS использованы по-
лоски длиной 12,6 см и шириной 80 мкм. Полная площадь SCT так-
же огромна и составляет 61 м
2
. Если пиксельные детекторы важны 
при восстановлении подробностей трека в самом его начале, возле 
точки взаимодействия, то SCT играет громадную роль в восста-
новлении трека в целом — ведь он регистрирует трек на гораздо 
более значительной протяженности и с высокой точностью (хотя 
и в одном направлении).
В отличие от CMS, внешний трекер установки ATLAS изготов-
лен не из кремния. Так называемый детектор переходного излуче-
ния TRT — самый внешний компонент внутреннего детектора — 
состоит из газонаполненных трубочек и служит не только треке-
ром, но и детектором переходного излучения. Треки заряженных 
частиц регистрируются и измеряются, когда частицы иони зируют 
газ в «соломинках» — дрейфовых трубках длиной 144 см и тол-
щиной 4 мм, снабженных в центральной части датчиками ио-
низации. Здесь тоже максимальное разрешение обеспечивается 
в поперечном направлении. «Соломинки» измеряют траектории 
с точностью до 200 мкм, что, конечно, меньше, чем во внутреннем 
трекере, зато они покрывают гораздо большую площадь. Кроме 
того, этот детектор помогает различить частицы, двигающиеся 
со скоростями, очень близкими к скорости света, и порождающи-
ми так называемое переходное излучение. Это помогает различить 
частицы разной массы — ведь более легкие частицы, как правило, 
движутся быстрее — и, соответственно, опознать электроны.
Если такое обилие подробностей кажется вам ошеломляющим, 
помните, что даже большинству физиков такое количество инфор-
мации ни к чему. Эти данные позволяют почувствовать масштаб 
и точность этих великолепных инструментов и, разумеется, важ-
ны для любого, кто работает с конкретным компонентом детекто-
ра. Но даже те, кто хорошо знаком с одним компонентом, редко 
с таким же вниманием следят за остальными. Я узнала об этом 

288 АППАРАТУРА, 
ИЗМЕРЕНИЯ 
И ВЕРОЯТНОСТИ
совершенно случайно, когда пыталась выяснить авторство не-
скольких фотографий детектора и понять, насколько точны не-
которые графики и диаграммы. Так что не расстраивайтесь, если 
вам не удалось понять все это с первого раза. Все эти подробно-
сти известны, конечно, немногочисленным специалистам, коор-
динирующим строительство, но даже многие экспериментаторы 
не держат их постоянно в своей голове.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КАЛОРИМЕТР ECAL
Пройдя сквозь три типа трекеров, частица попадает в следующую 
по ходу путешествия секцию детектора — электромагнитный ка-
лориметр (ECAL). Этот прибор регистрирует энергию, которую 
отдают при торможении все частицы — и заряженные, и ней-
тральные, — и координаты точки, в которой они покидают (если 
хватает энергии) его зону; в первую очередь речь идет о фотонах 
и электронах. Детекторный механизм отслеживает возникно-
вение ливня частиц, который порождают случайные электроны 
и фотоны при взаимодействии с веществом калориметра. Эта 

жүктеу/скачать 8,11 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: