ATLAS (Detektor)

46.2357536.055092

ATLAS (Detektor)​

Schweiz

ATLAS-Kaverne, Oktober 2004

ATLAS, November 2005

ATLAS ist ein Teilchendetektor am Large Hadron Collider (LHC), einem Teilchenbeschleuniger am europäischen Kernforschungszentrum CERN. ATLAS stand ursprünglich für A Toroidal LHC ApparatuS, wird aber mittlerweile nur noch als Eigenname benutzt. Unter anderem soll mit ATLAS erstmals das Higgs-Boson, ein für die Erklärung der Masse wichtiger Bestandteil, nachgewiesen werden sowie die derzeit kleinsten Bausteine der Materie, Leptonen und Quarks, auf eine etwaige Substruktur hin untersucht werden. Parallel zu ATLAS verfolgt auch der CMS-Detektor ein ähnliches Physikprogramm, sodass ein Ergebnis eines Experiments am jeweils anderen überprüft werden kann. Am ATLAS-Experiment nehmen etwa 7000 Forscher aus über 200 Instituten weltweit teil.^[1]

Der Bau des LHC wurde im Februar 2008 abgeschlossen. Am 10. September 2008 wurde der ATLAS-Detektor erstmals getestet. Die geplante Betriebszeit von ATLAS ist auf 10 Jahre angesetzt.

Sprecher der Kollaboration ist zur Zeit (2012) Fabiola Gianotti und war bis 2009 Peter Jenni.^[2] Ab März 2013 wird Dave Charlton Sprecher der Kollaboration.^[3]

2012 war die ATLAS-Kollaboration zusammen mit der unabhängig arbeitenden zweiten großen Kollaboration CMS an der Entdeckung eines neuen Bosons beteiligt, das mit dem Higgs-Boson kompatibel ist. Die genauen Eigenschaften müssen noch weiter erforscht werden.

ATLAS-Experiment

Der ATLAS-Kontrollraum zur Techniküberwachung

Suche nach unentdeckten Teilchen

Eine wichtige Frage, die geklärt werden soll, ist, ob Leptonen und Quarks eine Substruktur haben. Denn damit könnte dann sehr wahrscheinlich beantwortet werden, warum es genau drei Generationen von Elementarteilchen gibt, oder ob es gar noch weitere unentdeckte Teilchen gibt. Ein weiteres Problem der Elementarteilchenphysik, das aufgeklärt werden soll, ist, wie es zu den stark unterschiedlichen Massen der Elementarteilchen kommt. Die Massen reichen von der nahezu verschwindenden Masse des Neutrinos bis zur Masse des Top-Quarks, die der eines Gold-Atoms entspricht. Dies hofft man durch den so genannten Higgs-Mechanismus erklären zu können. Danach sind die Teilchenmassen deshalb so verschieden, weil Teilchen unterschiedlich stark an ein bis jetzt noch nicht gefundenes Teilchen, das Higgs-Boson, beziehungsweise dessen Feld koppeln. Daher hofft man, Higgsteilchen als Anregung des Higgsfeldes auf Grund ihrer vorausberechneten Zerfälle nachweisen zu können. Das dritte Problem ist die Vereinheitlichung der vier Grundkräfte, also eine Quantenfeldtheorie, die auch die Gravitation mit einbezieht. Es ist zwar nicht möglich, diese Vereinheitlichung direkt zu beobachten, da sie erst auf Energieskalen weit jenseits der in absehbarer Zeit experimentell erreichbaren Energien geschieht, aber durch den Nachweis supersymmetrischer Partner der heute bekannten Elementarteilchen ließen sich die Kräfte in einem Punkt vereinigen. Der Nachweis einer Vereinheitlichung wäre ohne die vergleichsweise einfache Supersymmetrie nur schwer möglich. Deswegen soll ATLAS auch nach supersymmetrischen Teilchen fahnden.

B-Physik

Darüber hinaus soll am ATLAS-Detektor auch B-Physik betrieben werden. Dabei wird der Zerfall von B-Mesonen und ihrer Antiteilchen beobachtet. Wenn sich dabei Unterschiede in den Wahrscheinlichkeiten für bestimmte Zerfallskanäle zwischen Teilchen und Antiteilchen zeigen, wäre dies eine Verletzung der CP-Symmetrie. Solche CP-verletzenden Prozesse sind Voraussetzung dafür, dass es im Universum, wie beobachtet, mehr Materie als Antimaterie geben kann. Man erwartet aber auch bisher unbekannte CP-verletzende Prozesse durch die Entdeckung neuer Teilchen, wie zum Beispiel die eben genannten supersymmetrischen Teilchen und das Higgs-Boson, zu finden. Neben diesen Hauptaufgaben ist der ATLAS-Detektor darüber hinaus auch darauf ausgelegt, weitere Forschungsfelder abzudecken. Dazu zählen etwa QCD-Prozesse sowie Teilchen mit anormalen Quantenzahlen (Leptoquarks, Dileptonen, usw.).

Aufbau

Technische Daten

ATLAS ist ein 45 m langer, zylindrischer, 7.000 Tonnen schwerer Koloss mit einem Durchmesser von 22 m. Das Experiment besteht aus vier übergeordneten Systemen. Diese sind, wie bei Teilchendetektoren für Colliding-Beam-Experimente üblich, in einer Zwiebelschalenstruktur angeordnet, wobei jede Schicht andere Teilchen und andere Eigenschaften der Teilchen misst.

Magnetsystem

Das Magnetsystem erzeugt das magnetische Feld, welches geladene Teilchen ablenkt. Es besteht aus dem Endkappen-Toroiden und dem Barrel-Toroiden. Toroiden sind Magnete in Form eines Torus, welche im Inneren ein sehr homogenes Magnetfeld erzeugen.

Innerer Detektor

Der Innere Detektor besteht aus drei Subdetektoren, die sich in einem solenoiden Magnetfeld von 2 Tesla befinden. Der Übergangsstrahlungsspurdetektor (engl. Transition Radiation Tracker, TRT) ist der äußerste dieser Gruppe und registriert etwa 30 Spurpunkte pro durchgehendem ionisierenden Teilchen. Durch die Krümmung der Flugbahn des geladenen Teilchens kann die Ladung und der Transversalimpuls bestimmt werden. Zusätzlich kann durch den Nachweis von Übergangsstrahlung zwischen Elektronen und Hadronen unterschieden werden. Die nächste Lage bildet ein Silizium-Streifendetektor. Dieser liefert weitere drei bis neun Spurpunkte für ein durchgehendes ionisierendes Teilchen. Die höchste Auflösung bei der Bestimmung der Stoßparameter erreicht der ATLAS-Pixeldetektor (ebenfalls Silizium als Sensormaterial) als innerster der Detektoren mit dem kleinsten Abstand von 50,5 mm (drei Lagen) zum Wechselwirkungspunkt.

Kalorimetersystem

Das Kalorimetersystem besteht aus einem elektromagnetischen Kalorimeter und einem hadronischen Kalorimeter. Das gesamte elektromagnetische und Teile des hadronischen Kalorimeters benutzen flüssiges Argon als aktives Detektormaterial und wurden deshalb in insgesamt drei Kryostaten eingebaut. Der äußere Rest des hadronischen Kalorimeters beruht auf Szintillator-Technik. Das elektromagnetische Kalorimeter bestimmt Impuls und Energie von elektromagnetisch wechselwirkenden Teilchen, wobei der Wechselwirkungsquerschnitt umgekehrt proportional zur Masse des geladenen Teilchens ist, weshalb vorrangig Elektronen-Photonen-Schauer und kaum schwerere Myonen detektiert werden. Das sich nach außen hin anschließende hadronische Kalorimeter bestimmt Art, Impuls und Energie der hadronischen Materie.

Myon-Detektoren

Es werden zwei verschiedene Myon-Systeme eingesetzt, die einen primär zur Bestimmung des Trajektorienverlauf (mit einer hohen Ortsauflösung) und Impuls der Myonen (precision chambers) und die anderen werden primär zur Triggerung (schnelle Markierung von physikalisch interessanten Ereignissen) von Ereignissen mit Myonen benutzt. Die Myonen können getrennt gemessen werden, da sie auf Grund ihrer großen Masse das elektromagnetische Kalorimeter ungestört durchqueren.

Literatur

• ATLAS Collaboration (Hrsg.): ATLAS Detector and Physics Performance. Technical Design Report, Volume 1, CERN/LHCC/99-14,25 May 1999 TDR Vol. I (pdf-Datei; 8,08 MB)
• ATLAS Collaboration (Hrsg.): ATLAS Detector and Physics Performance. Technical Design Report, Volume 2, CERN/LHCC/99-15,25 May 1999 TDR Vol. II (pdf-Datei; 9,56 MB)

Weblinks

Commons: ATLAS (Detektor) – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

• Die offizielle ATLAS-Seite für die Öffentlichkeit
• ATLAS auf weltmaschine.de - der offiziellen Webseite der deutschen LHC-Forscher
• Der ATLAS-Detektor und die damit untersuchte Physik auf Welt der Physik, verfasst vom Physik-Koordinator des Experiments
• Aufbau des ATLAS-Detektors
• Die offizielle ATLAS-Kollaborations-Seite
• Die offizielle Seite des BMBF-Forschungsschwerpunkts ATLAS Experiment (FSP 101)
• Interview zum ATLAS Experiment vom 9. November 2011

Einzelnachweise