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mwbgATLAS (mwbwmwcaA mwcqToroidal mwcgLHC mwcwApparatumwdaS)cite-ref-fact-sheets-1-0[1]cite-ref-run2-2-0[2]cite-ref-bibbia-3-0[3]cite-ref-technical-proposal-4-0[4] è uno dei nove mwhqrivelatori di particelle costruiti per il Large Hadron Collider (mwhgLHC), un mwhwacceleratore di particelle al Centro Europeo Ricerche Nucleari (mwiaCERN) presso mwiqGinevra. La costruzione di ATLAS è terminata nell'ottobre del 2008 e le prime collisioni fra mwigprotoni furono registrate nel novembre del 2009.cite-ref-5[5]cite-ref-6[6] ATLAS è stato, assieme a mwkwCMS, uno dei due esperimenti di mwlaLHC che, il 4 luglio 2012, hanno annunciato la scoperta del mwlqbosone di Higgs.cite-ref-higgs2012-7-0[7]cite-ref-higgs2013-8-0[8]

Il mwnwrivelatore ha una geometria mwoacilindrica, è lungo 44mwoq metri, ha un diametro di 25mwog metri, pesa circa mwow7 000mwpa tonnellatecite-ref-fact-sheets-1-1[1]cite-ref-bibbia-3-1[3]cite-ref-technical-proposal-4-1[4]cite-ref-9[9] ed è attualmente il più grande mwtqspettrometro costruito presso un mwtgacceleratore di particelle. L'esperimento è stato progettato per osservare fenomeni che riguardano le mwtwparticelle elementari, per scoprire nuove mwuaparticelle a breve mwuqvita media e per far luce su teorie di mwugfisica delle particelle oltre il mwuwModello standard.

Ad ATLAS partecipano mwvq6 003 membri, di cui mwvg3 822 mwvwfisici (dati del 26 giugno 2022), appartenenti a 243 istituti di ricerca da 40 nazioni diverse.cite-ref-fact-sheets-1-2[1]cite-ref-collaboraz-10-0[10]

• Storia

• Nascita degli acceleratori di particelle

• La collaborazione ATLAS

• Progetto e costruzione del rivelatore

• Funzionamento del rivelatore

• Direzione dell'esperimento ATLAS

• Programma di ricerca

• Modello standard

• Oltre il Modello standard

• Spettrometro ATLAS

• Requisiti generali

• Struttura a strati concentrici

• Sistemi di rivelatori

• Rivelatore interno

• Calorimetri

• Spettrometro muonico

• Sistema dei magneti

• Rivelatori in avanti

• Sistemi per l'acquisizione dati

• Note

• Altri progetti

• Collegamenti esterni

Il primo mwzaacceleratore di particelle, un mwzqciclotrone con un raggio di pochi centimetri e un'energia per particella di 1 mwzgMeV, fu costruito da mwzwErnest Orlando Lawrence nel 1931. Da allora, gli acceleratori crebbero enormemente in dimensioni ed energia, per produrre sempre nuove mwaaparticelle con mwaqmasse sempre maggiori. Alla crescita delle energie degli acceleratori corrispose un aumento del numero delle mwagparticelle conosciute, studiate in dettaglio negli esperimenti di mwawFisica delle particelle.

La collaborazione ATLAS, costituita da gruppi di fisici appartenenti a diverse Università e centri di ricerca che hanno costruito e ora gestiscono il rivelatore, si è formata nel 1992. Due precedenti collaborazioni, EAGLE (mwbgmwbwExperiment for mwcaAccurate mwcqGamma, mwcgLepton and mwcwEnergy Measurements) e ASCOT (mwdamwdqApparatus with mwdgSuper mwdwCOnducting mweaToroids), si fusero per la costruzione di un unico mweqrivelatore di particelle destinato al nuovo mwegacceleratore, il Large Hadron Collider (mwewLHC).cite-ref-11[11]

Il progetto era una combinazione di quelli di due precedenti progetti per LHC, EAGLE e ASCOT, e della mwggricerca e sviluppo condotte per il rivelatore del Super Collisore Superconduttivo (mwgwSSC) statunitense, il cui progetto fu abbandonato nel 1993. L'esperimento ATLAS venne proposto nella sua forma attuale nel 1994, e sovvenzionato ufficialmente dagli stati membri del CERN nel 1995. Altre nazioni, università e laboratori si aggiunsero negli anni seguenti, e ulteriori istituzioni e scienziati continuano ad aggiungersi ancora oggi. L'opera di costruzione incominciò nelle singole istituzioni, con componenti del rivelatore che vennero spediti al CERN e assemblati nella caverna sperimentale di ATLAS a partire dal 2003.cite-ref-12[12]cite-ref-13[13]

La costruzione dell'esperimento ATLAS fu completata nel 2008 ed il rivelatore ha registrato i primi dati da singolo fascio di mwkwprotoni da LHC il 10 settembre 2008.cite-ref-14[14] La presa dati fu quindi interrotta per oltre un anno da un incidente all'LHC: lo spegnimento, con effetti distruttivi, di un magnete mwmasuperconduttore. Il 23 novembre 2009 si ebbero le prime collisioni protone-protone di LHC, registrate anche da ATLAS, ad una energia nel mwmqcentro di massa, relativamente bassa, di 900 mwmgGeV. Da allora, ATLAS ha continuato a registrare mwmweventi di collisioni protone-protone dell'LHC a energie crescenti: 1,8 mwnaTeV a fine 2009,cite-ref-15[15] 7 TeV nel 2010 e 2011,cite-ref-atlas-cern-16-0[16] quindi 8 TeV nel 2012.cite-ref-atlas-cern-16-1[16]

Il primo periodo di presa dati, compreso tra il 2010 e il 2013, è detto Run 1. Dopo una interruzione (mwqgLong Shutdown LS1) nel 2013 e 2014, si sono raggiunti i 13 mwqwTeV nel 2015.cite-ref-17[17] Il secondo periodo di presa dati, Run 2, è stato completato a fine 2018 raccogliendo, sempre ad un'energia nel mwsacentro di massa di 13 mwsqTeV, una luminosità integrata di circa 140/fb (mwsgfemtomwswbarn inversi).cite-ref-18[18] Una seconda interruzione (mwuaLong Shutdown LS2) nel periodo 2019 - 2022 ha permesso il miglioramento del rivelatore, in vista di un nuovo periodo di presa dati (Run 3), a partire dal luglio 2022.cite-ref-19[19] Il completamento del Run 3 permetterà il raddoppio dei dati disponibili prima di tale Run per le analisi. Dopo Run 3, previsto da metà 2022 a giugno 2025, seguirà un lungo periodo d'interruzione (mwvqLong Shutdown LS3), per permettere l'aggiornamento del rivelatore in vista della presa dati ad alta luminosità: HL-LHC (mwvgHigh Luminosity LHC), che prevede Run 4 (2030 - 2033) e Run 5 (2036 - 2041).cite-ref-20[20]

La collaborazione ATLAS è attualmente guidata da Stephane Willocq, mentre suoi vice sono Anna Sfyrla e Guillaume Unal.cite-ref-21[21]

Quali portavoce di ATLAS si sono succeduti:

Nell'ambito della mwarmfisica delle particelle, ATLAS studia diversi tipi di processi rilevati o rilevabili nelle collisioni mwarqenergetiche del mwaruLarge Hadron Collider (LHC). Per i processi già noti, si tratta di misurare in modo sempre più accurato le proprietà di mwaryparticelle conosciute o di trovare conferme quantitative del mwarcModello standard. Processi finora non osservati permetterebbero invece, se rilevati, di scoprire nuove mwargparticelle o avere conferma di teorie fisiche che vanno oltre il mwarkModello standard.

In mwasqfisica delle particelle, il mwasuModello standard è la mwasyteoria fisica che descrive tre delle quattro mwascinterazioni fondamentali note: le interazioni mwasgforte, mwaskelettromagnetica e mwasodebole (le ultime due unificate nell'mwassinterazione elettrodebole) e tutte le mwaswparticelle elementari a esse collegate.cite-ref-22[22]cite-ref-23[23] Le sue previsioni sono state in larga parte verificate sperimentalmente con un'ottima precisione ed esso rappresenta l'attuale modello teorico di riferimento delle mwatuforze fondamentali. Tuttavia presenta vari aspetti di incompletezza; in particolare, non comprendendo l'mwatyinterazione gravitazionale, per la quale non esiste ad oggi una teoria mwatcquantistica coerente, non costituisce quella mwatgteoria del tutto a lungo ricercata dai fisici.

Salvo l'importante eccezione del mwatsbosone di Higgs, scoperto da ATLAS e mwatwCMS nel 2012,cite-ref-higgs2012-7-1[7]cite-ref-higgs2013-8-1[8] tutte le mwauuparticelle elementari previste dal mwauyModello standard erano già state osservate da esperimenti precedenti. In questo campo, oltre alla scoperta del mwaucbosone di Higgs, il lavoro sperimentale di ATLAS si è concentrato su misure di precisione, volte a determinare con sempre maggior accuratezza i molti mwaugparametri fisici della teoria. In particolare, per

1. il mwausbosone di Higgs;

2. i mwau0bosoni W e Z;

3. i quark mwau8top e mwavabottom

vengono misurate:

1. la mwavqmassa;

2. i canali di produzione, di decadimento e le mwavyvite medie;

3. i meccanismi d'interazione e le mwavgcostanti di accoppiamento mwavkelettrodebole e mwavoforte.

Ad esempio, i dati raccolti da ATLAS hanno permesso nel 2018 di misurare la mwavwmassa (80370±19 mwav0MeV) del mwav4bosone W,cite-ref-24[24] uno dei due mediatori dell'interazione debole, con una mwawmincertezza di misura di ±2,4mwawq‰.

Uno degli obiettivi più importanti di ATLAS era quello d'investigare sulla mwaw8particella mancante del Modello Standard, il mwaxabosone Higgs, che non è rivelabile direttamente ma solo tramite l'individuazione delle mwaxeparticelle nelle quali decade.cite-ref-fact-sheets-1-3[1]cite-ref-bibbia-3-2[3]cite-ref-technical-proposal-4-2[4] Il mwax4meccanismo di Higgs, che include l'esistenza del bosone di Higgs, spiega la massa dei mwax8fermioni. Inoltre, attribuendo massa ai mwayabosoni mwayeW e mwayiZ mentre il mwaymfotone rimane a massa nulla, evidenzia le differenze tra l'mwayqinterazione debole e l'mwayuelettromagnetismo.

Il 4 luglio 2012 i fisici che lavoravano all'esperimento ATLAS, assieme a quelli dell'esperimento CMS, hanno annunciato la scoperta - con un livello di confidenza di 5 mwaycsigma - di un mwaygbosone (particella con mwaykspin intero) neutro (privo di mwayocarica elettrica) e con una mwaysmassa di 125 mwaywGeV, pari a 133 volte la massa del mway0protone.cite-ref-25[25] I primi decadimenti osservati sono stati il decadimento in due mwazifotoni (mwazm H → → γ γ γ γ {\displaystyle H\rightarrow \gamma \gamma } ) e il decadimento in quattro mwazqleptoni (mwazu H → → Z Z ∗ ∗ → → 4 l {\displaystyle H\rightarrow ZZ^{*}\rightarrow 4l} e mwazy H → → W W ∗ ∗ → → e ν ν μ μ ν ν {\displaystyle H\rightarrow WW^{*}\rightarrow e\nu \mu \nu } ).cite-ref-26[26]

Nel marzo 2013, dopo ulteriori mwazwanalisi dei dati di ATLAS e CMS, il CERN ha annunciato che la nuova mwaz0particella è proprio il mwaz4bosone di Higgs.cite-ref-27[27] Gli esperimenti ATLAS e CMS sono stati in grado di dimostrare che le proprietà della particella e il modo in cui interagisce con altre particelle erano quelle caratteristiche di un mwaambosone di Higgs, che ha mwaaqspin 0 e mwaauparità positiva. L'analisi, con i dati raccolti nel 2015 e nel 2016, di altre proprietà della particella hanno ulteriormente confermato queste conclusioni.cite-ref-28[28]

Nell'ottobre 2013 a due dei fisici teorici che predissero l'esistenza del mwaasbosone di Higgs del mwaawModello standard, mwaa0Peter Higgs e mwaa4François Englert, è stato assegnato il mwaa8premio Nobel per la Fisica.

Le proprietà del mwabiquark top, scoperto al mwabmFermilab nel 1995, erano state misurate solo approssimativamente. Grazie alla maggiore energia e al maggior numero di eventi, l'LHC produce un grande numero di mwabqquark top, permettendo ad ATLAS di compiere misure molto più accurate sulla sua massa e sulle sue interazioni con le altre particelle.cite-ref-bibbia-3-3[3]cite-ref-technical-proposal-4-3[4] Queste misure forniscono informazioni sui dettagli del mwab0Modello standard e potrebbero rivelare inconsistenze tra teoria e dati sperimentali, indizi a favore di nuove teorie fisiche.

Mentre il mwacaModello standard prevede che mwacequark, mwacileptoni e mwacmneutrini debbano esistere, non spiega perché le mwacqmasse di queste particelle siano così diverse (differiscono per mwacuordini di grandezza). Inoltre, la massa dei mwacyneutrini dovrebbe essere, secondo il mwaccModello standard, esattamente nulla come quella del mwacgfotone. Invece i neutrini hanno mwackmassa. Nel 1998 i risultati della ricerca al mwacorivelatore mwacsSuper-Kamiokande hanno determinato che i neutrini possono oscillare da un mwacwsapore all'altro, il che impone che debbano avere una massa diversa da zero. Per questi e altri motivi, molti mwac0fisici delle particelle credono che il mwac4Modello standard potrebbe non essere più valido a scale di mwac8energia di 1 mwadaTeV o maggiori. La maggior parte delle teorie alternative, le mwadeGUT (Grand Unified Theories) tra cui mwadiSUSY (SUper SYmmetry),cite-ref-29[29] prevede l'esistenza di nuove particelle con mwadcmassa maggiore di quelle del mwadgModello standard.

Alcune delle mwadsparticelle non previste dal mwadwModello standard potrebbero essere abbastanza leggere da venir prodotte ed osservate da ATLAS. In molti casi, è previsto che queste particelle molto massive decadano in mwad0quark ad alta mwad4energia e in altre particelle massive debolmente interagenti con la materia ordinaria. Le particelle più stabili uscirebbero dallo mwad8spettrometro, lasciando come tracce uno o più jet di particelle e un alto valore di mwaeequantità di moto mancante. Anche altre ipotetiche particelle massive, come quelle descritte dalla mwaeiteoria di Kaluza-Klein, potrebbero lasciare le stesse tracce. I dati raccolti fino alla fine del Run II al LHC non mostrano evidenza di particelle supersimmetriche o comunque non previste dal mwaemModello standard, la cui ricerca continuerà nei dati che si raccoglieranno dal Run III in poi.

Con i dati raccolti da ATLAS viene investigata anche l'mwaeyasimmetria tra il comportamento della materia e dell'mwaecantimateria, conosciuta come violazione della mwaegsimmetria CP.cite-ref-30[30] Gli esperimenti che finora hanno studiato la violazione di CP, come mwae0BaBar e mwae4Belle, non hanno ancora rivelato sufficienti violazioni nel mwae8Modello standard per spiegare l'assenza dell'mwafaantimateria nell'mwafeuniverso.cite-ref-31[31] Nuovi modelli fisici potrebbero introdurre delle violazioni aggiuntive di CP, facendo luce sul problema. Questi modelli possono essere verificati direttamente mediante la produzione di nuove mwafyparticelle oppure indirettamente, dalle proprietà di decadimento dei mwafcmesoni B e D. Un altro degli esperimenti di LHC, mwafgLHCb, è dedicato specificatamente allo studio della violazione di CP.cite-ref-32[32]

La ricerca di particelle cariche, pesanti e a lunga vita media nei dati di Run 2 ha isolato 7 eventi con massa di circa 1,4 mwaf8TeV, corrispondente ad 8 volte la massa della particella più pesante finora conosciuta. L'identità (ovvero la determinazione dei costituenti) di queste ipotetiche nuove particelle rimane misteriosa. La significatività statistica dei risultati disponibili è di 3,3 mwagaσ. Ciò significa, dati gli mwageintervalli di confidenza statistici, che vi sono meno di 3 probabilità su 1000 che i risultati finora ottenuti siano stati prodotti da una fluttuazione casuale. Occorreranno ulteriori dati, forniti dal Run 3 del LHC, per arrivare ad un livello di confidenza di 5 σ, che permetterebbe d'annunciare la scoperta un nuovo tipo di particelle.cite-ref-33[33]

Una remota possibilità (se l'universo contenesse mwaggextra dimensioni) è che l'LHC possa produrre mwagkbuchi neri microscopici.cite-ref-34[34] Questi, a causa della mwag4radiazione di Hawking, decadrebbero in circa mwag8 10 − − 27 {\displaystyle 10^{-27}} s producendo tutte le particelle del mwahaModello standard in ugual numero, e lasciando una traccia inequivocabile nel rivelatore ATLAS.cite-ref-35[35]cite-ref-36[36]

Il mwahsrivelatore mwahwcilindrico è lungo 44mwah0 metri, ha un diametro di 25mwah4 metri, pesa circa 7.000mwah8 tonnellate e contiene circa 3.000mwaia km di cavi.cite-ref-fact-sheets-1-4[1]cite-ref-bibbia-3-4[3]cite-ref-technical-proposal-4-4[4]

Coi suoi 27mwai4 km di mwai8circonferenza, il Large Hadron Collider (mwajaLHC) del mwajeCERN fa urtare fasci di mwajiprotoni in cui il singolo protone ha un'energia massima di 6,5mwajm mwajqTeV. Tale energia viene convertita nell'urto per formare, grazie all'equivalenza tra massa ed energia (mwajuE=mc²), particelle molto più massive di quelle che costituiscono la materia ordinaria (mwajyprotoni, mwajcneutroni, mwajgelettroni). Quando due fasci di protoni si urtano nel centro del rivelatore ATLAS, l'energia disponibile nel mwajkcentro di massa per formare nuove particelle è di 13mwajo mwajsTeV, il doppio di quella del singolo protone.

ATLAS è concepito come un mwaj4rivelatore di particelle ad indirizzo generale. Quando i due fasci di mwaj8protoni accelerati a LHC interagiscono al centro del rivelatore, può essere prodotta una grande varietà di particelle, in un largo intervallo di energia. Più che focalizzarsi su un particolare processo fisico, ATLAS è concepito per misurare il più ampio spettro possibile di segnali. Questo assicura che, qualunque caratteristica un nuovo processo fisico o una nuova particella possano avere, ATLAS sia in grado di rivelarli e misurarne le proprietà. ATLAS è progettato per rilevare la mwakamassa, l'mwakeenergia, la mwakiquantità di moto, la mwakmcarica elettrica, lo mwakqspin e la mwakuvita media delle mwakyparticelle generate dall'urto dei fasci.

Alcuni rivelatori di particelle costruiti per acceleratori precedenti, come il mwakgTevatron e il mwakkLarge Electron-Positron Collider, erano stati progettati sulla base di una filosofia simile. Tuttavia le sfide tecniche e scientifiche rappresentate dal mwakoLarge Hadron Collider, per la sua energia senza precedenti e l'alto numero di eventi prodotti, hanno reso necessaria la costruzione di un rivelatore come ATLAS, di dimensioni e complessità maggiori rispetto a qualunque altro rivelatore costruito prima.

Per identificare tutte le particelle prodotte nel punto di interazione IP (mwak0Interaction Point) quando i fasci di protoni dell'LHC collidono, lo mwak4spettrometro mwak8cilindrico è progettato con una struttura "a cipolla". Gli strati sono formati da mwalarivelatori di vari tipi, ognuno dei quali osserva uno specifico tipo di particelle. Le differenti tracce che le particelle lasciano in ogni strato permettono la loro identificazione e l'accurata misura delle loro energie e quantità di moto (il ruolo di ciascuno strato di rilevazione è discusso in mwaleSistemi di rivelatori). Man mano che l'energia delle particelle prodotte dall'acceleratore cresce, i rivelatori devono crescere di dimensioni, per misurare e contenere completamente anche le particelle più energetiche. Ad oggi (2022) ATLAS è il più grande rivelatore di particelle mai costruito presso un collider.cite-ref-cernpr-37-0[37]

[[File:ATLAS Drawing.jpg|miniatura|Il rivelatore di particelle ATLAS]]

Lo mwaoaspettrometro ATLAScite-ref-fact-sheets-1-5[1]cite-ref-run2-2-1[2]cite-ref-bibbia-3-5[3]cite-ref-technical-proposal-4-5[4] consiste di una serie di cilindri concentrici costruiti attorno al punto d'interazione IP, in cui collidono i fasci di protoni dell'LHC. Mantenere l'efficienza dei rivelatori in un'area soggetta a intense radiazioni come quella che circonda il punto di interazione è una sfida ingegneristica non indifferente. Lo spettrometro può essere diviso in quattro principali sistemi:

1. mwapmRivelatore interno;

2. mwapuCalorimetri;

3. mwapcSpettrometro mwapgmuonico;

4. Sistema dei magneti.

Ciascun sistema è a sua volta formato da vari strati. I rivelatori sono complementari: il rivelatore interno traccia precisamente le particelle cariche, i calorimetri misurano l'energia delle particelle più facili da fermare e lo spettrometro muonico permette di rilevare i mwapsmuoni, che sono più penetranti e attraversano gli altri rivelatori. Il sistema dei magneti mwapwdeflette le particelle mwap0cariche nel rivelatore interno e nello spettrometro muonico, permettendo così di misurarne la mwap4carica elettrica e la mwap8quantità di moto. Le sole particelle stabili a non poter essere rivelate direttamente da ATLAS sono i mwaqaneutrini: la loro presenza è dedotta da apparenti violazioni della mwaqeconservazione della quantità di moto durante una collisione. Per svolgere questo compito, il rivelatore deve essere mwaqi"ermetico", ovvero deve misurare mwaqmtutte le altre particelle, senza punti ciechi.

L'installazione di tutti e quattro i sistemi di rivelazione fu completata nell'agosto 2008. I mwaqurivelatori hanno raccolto i dati di milioni di raggi cosmici, durante la riparazione dei magneti che ebbe luogo tra l'autunno 2008 e l'autunno 2009, prima dell'inizio dell'iniezione di protoni nell'LHC. I rivelatori mostrarono un'efficienza vicina al 100% e caratteristiche di funzionamento molto prossime a quelle di progetto.cite-ref-38[38]

Il mwarerivelatore internocite-ref-fact-sheets-1-6[1]cite-ref-run2-2-2[2]cite-ref-bibbia-3-6[3]cite-ref-technical-proposal-4-6[4]cite-ref-39[39] inizia a pochi centimetri dall'asse del fascio di protoni e si estende fino ad un raggio di 1,2mwasy m, per una lunghezza di 6,2mwasc m nella direzione del tubo che contiene il fascio. La sua principale funzione è di tracciare le particelle cariche e misurarne la mwasgquantità di moto. È composto da tre rivelatori diversi (Rivelatore a pixel, SCT e TRT), descritti nel seguito.

Il mwasocampo magnetico che circonda interamente il rivelatore interno curva la traiettoria delle particelle cariche. La direzione della curvatura rivela il segno (positivo o negativo) della mwasscarica elettrica della particella, mentre il mwaswraggio di mwas0curvatura permette di calcolarne la mwas4quantità di moto. Il punto d'inizio della traccia è un'informazione rilevante per l'identificazione del tipo di particella. Ad esempio, se un gruppo di tracce ha origine lontano dal punto iniziale d'interazione tra i protoni, si tratta di un'indicazione del decadimento di una particella pesante, come un mwas8adrone contenente un mwataquark di tipo mwateb.

Il mwatqrivelatore a pixelcite-ref-40[40] è la parte più interna dello spettrometro ATLAS. È formato da quattro strati cilindrici concentrici più tre dischi per ciascuna base del volume cilindrico delimitato, costituiti da 1.744 moduli ognuno dei quali misura (2 × 6) cm². Il materiale attivo è mwatksilicio dallo spessore di 250mwato µm. Ogni modulo contiene 16 mwatscircuiti integrati di lettura ed altri componenti elettronici. L'unità di lettura elementare è un pixel di (50 × 400) µm² e ci sono circa 47.000 pixel per modulo.

Le dimensioni dei pixel sono minute per garantire un tracciamento estremamente preciso anche molto vicino al punto d'interazione IP dei fasci protonici. In totale, il rivelatore a pixel ha circa 92 milioni di canali di lettura, che rappresentano il 50% di tutti i canali esistenti nello spettrometro ATLAS. Un così alto numero di canali in un volume ridotto ha rappresentato una notevole sfida per la progettazione e realizzazione del rivelatore. Un altro aspetto critico è dato dalla mwat0radiazione complessiva a cui il rivelatore a pixel è esposto, data la sua prossimità al punto d'interazione IP. Ciò ha richiesto che tutti i componenti del rivelatore a pixel fossero resistenti alle radiazioni, ed in grado di operare anche in presenza di flussi intensi di mwat4particelle ionizzanti e di mwat8neutroni.

Il tracciatore a mwauisemiconduttori o SCT (mwaumSemi-Conductor Tracker) costituisce la parte centrale del rivelatore interno. Per concezione e funzionamento è simile al rivelatore a pixel, ma è caratterizzato da lunghe strisce di silicio invece che da pixel di piccole dimensioni, per coprire in modo efficiente una superficie molto maggiore. Ogni striscia misura 80mwauq µm × 12mwauu cm. SCT è la parte più importante del rivelatore interno al fine di ricostruire le tracce delle particelle cariche, in quanto ne stabilisce la posizione in un volume molto maggiore di quello del rivelatore a pixel, con più punti di rilevazione e quasi con la stessa accuratezza. È composto da quattro strati doppi di strip di mwauysilicio, che coprono un'area totale di 61mwauc mwaugm² e forniscono 6,3 milioni di canali di lettura.

Il TRT (mwausTransition Radiation Tracker), l'elemento più esterno del rivelatore interno di ATLAS, è la combinazione di un rivelatore a cannucce (mwauwstraw tracker) e un rivelatore a transizione di radiazione (TRD, mwau0transition radiation detector). Gli elementi del rivelatore sono camere a deriva (mwau4drift tubes) formati da cannucce, ciascuna dal diametro di 4 mm e lunghezza fino a 144 cm. Il TRT è composto da circa 300.000 cannucce. L'incertezza nella ricostruzione della posizione ("risoluzione della traccia") è di circa 200mwau8 µm. Si tratta di una misura meno precisa di quelle degli altri due rivelatori interni, che rappresenta un compromesso necessario per ridurre il costo di un rivelatore che copre un volume notevole, mantenendo le caratteristiche di un TRD.

Ogni cannuccia è riempita con un gas che si mwaveionizza quando delle particelle cariche attraversano la cannuccia, mantenuta ad un potenziale di −1.500mwavi V. Gli elettroni così prodotti sono attratti verso un sottilissimo filo metallico, che si trova al centro della cannuccia. Si scaricano infine sul filo, producendo un impulso di corrente che costituisce il segnale. Tali segnali, provenienti da molte cannucce, creano una traccia che permette di ricostruire il percorso della particella dentro il volume del rivelatore.

Tra le cannucce sono posti materiali con mwavqindici di rifrazione molto diversi, che inducono le particelle relativistiche ad emettere una mwavuradiazione di transizione quando passano da un materiale all'altro, rilasciando un segnale molto intenso in alcune cannucce. mwavyXenon e mwavcargon gassosi sono utilizzati per massimizzare questo effetto. Siccome l'emissione di radiazione di transizione è più intensa per particelle altamente mwavgrelativistiche (con velocità prossima a quella della mwavkluce), e siccome particelle di una data energia sono tanto più veloci quanto minore è la loro mwavomassa, i cammini caratterizzati da molti segnali intensi sono attribuiti a particelle cariche di piccola massa: mwavselettroni o mwavwpositroni.

I mwawccalorimetricite-ref-fact-sheets-1-7[1]cite-ref-run2-2-3[2]cite-ref-bibbia-3-7[3]cite-ref-technical-proposal-4-7[4] sono posti all'esterno del mwaxgmagnete mwaxksolenoidale che circonda il rivelatore interno. Il loro scopo è misurare l'mwaxoenergia delle particelle, mediante il loro assorbimento entro il volume del calorimetro. In ATLAS vi sono due sistemi calorimetrici: un calorimetro mwaxselettromagnetico interno e un calorimetro mwaxwadronico esterno. Entrambi sono calorimetri a mwax0campionamento, che assorbono l'energia delle particelle in un mwax4metallo ad alta mwax8densità e, ad intervalli spaziali periodici (campionamento), misurano il profilo dello mwayasciame di particelle generate. In questo modo, s'inferisce l'energia della particella originaria che ha generato il successivo sciame.

Il mwaymcalorimetro mwayqelettromagnetico (EM) assorbe energia dalle mwayuparticelle che mwayyinteragiscono elettromagneticamente, cariche o neutre (mwaycfotoni). Sia l'energia assorbita sia la posizione in cui tale energia viene depositata sono misurate accuratamente. L'angolo tra l'asse del fascio e la traiettoria di una particella e dello sciame da lei generato viene misurato con una precisione di circa 0,025mwayg mwaykradianti. I materiali assorbitori sono mwayopiombo e mwaysacciaio inossidabile, mente mwaywargon liquido - raffreddato mediante un mway0criostato che circonda il calorimetro EM - funge da mezzo per il mway4campionamento dell'mway8energia. Il calorimetro elettromagnetico centrale ha mwazaelettrodi a forma di mwazefisarmonica.

Il mwazqcalorimetro mwazuadronico assorbe l'energia delle mwazyparticelle che hanno attraversato il calorimetro EM. Queste particelle sono soprattutto mwazcadroni, che interagiscono mediante l'mwazginterazione forte. Risulta meno preciso del calorimetro EM sia nella localizzazione dei depositi d'energia, sia nella misura delle energie depositate. La risoluzione angolare è di circa 0,100mwazk mwazoradianti. Il materiale assorbitore è mwazsacciaio, con mwazwtegole di materiale mwaz0plastico mwaz4scintillante per il mwaz8campionamento dell'mwa0aenergia depositata. Le due basi del cilindro del calorimetro adronico sono contenute all'interno del mwa0ecriostato, ed utilizzano mwa0iargon per il mwa0mcampionamento, mentre mwa0qrame e mwa0utungsteno sono usati come materiali assorbitori. Il diametro del calorimetro a mwa0ytegole è di 8mwa0c m, per una lunghezza di 12mwa0g m nella direzione del fascio. Data la sua mole, molte caratteristiche del calorimetro adronico sono state determinate dalla ottimizzazione del rapporto tra costi e benefici.

Lo mwa0sspettrometro mwa0wmuonicocite-ref-fact-sheets-1-8[1]cite-ref-run2-2-4[2]cite-ref-bibbia-3-8[3]cite-ref-technical-proposal-4-8[4] serve a determinare la traccia, la carica e la mwa10quantità di moto dei mwa14muoni che, dopo aver attraversato gli strati più interni dello spettrometro ATLAS, arrivano nella regione di rilevazione più esterna. Pochissime altre particelle, oltre ai muoni, hanno energia e potere di penetrazione sufficienti a raggiungere lo spettrometro muonico. Il sistema di tracciamento, di enormi dimensioni, è formato da tre componenti:

1. Un mwa2ecampo magnetico, generato da tre mwa2imagneti mwa2mtoroidali;

2. Oltre 1.200 mwa2urivelatori che misurano, con grande precisione, le traiettorie dei mwa2ymuoni uscenti;

3. Rivelatori che determinano con accuratezza l'istante del passaggio dei muoni in vari punti dello mwa2gspettrometro.

Lo spettrometro mwa2omuonico è dotato di circa 1.000.000 di canali di lettura e i piani di rivelazione dei suoi contatori coprono una superficie totale di 12.000mwa2s m². Il suo volume inizia appena dopo i mwa2wcalorimetri mwa20adronici e si estende fino ai limiti dello spettrometro ATLAS, coprendo un segmento radiale che va da 4,25mwa24 m fino ad 11mwa28 m dalla linea del fascio dei mwa3aprotoni. Queste dimensioni gigantesche sono necessarie per misurare accuratamente la mwa3equantità di moto dei mwa3imuoni, che attraversano gli strati più interni dello spettrometro prima di arrivare nella regione di rilevazione a loro dedicata. Secondo le specifiche del progetto, lo spettrometro muonico misura la mwa3mquantità di moto di mwa3qmuoni da 100 mwa3uGeV di energia con un errore del 3%, mentre l'errore sale al 10% per muoni da 1.000 mwa3yGeV, ovvero 1 mwa3cTeV di energia.

I principi di rilevazione sono simili a quelli del tracciatore interno: i muoni sono deflessi dal mwa3kcampo magnetico in modo da determinare il segno (positivo e negativo) della mwa3ocarica elettrica del muone e la sua mwa3squantità di moto, misurando rispettivamente la direzione di deflessione e il mwa3wraggio di mwa30curvatura della traiettoria. Tuttavia la struttura del mwa34campo magnetico è differente nei due casi; inoltre la risoluzione spaziale è maggiore per il mwa38rivelatore interno che per lo spettrometro muonico, mentre le dimensioni di quest'ultimo sono molto maggiori di quelle del rivelatore interno.

Lo mwa4ospettrometro ATLAS usa due grandi sistemi mwa4smagnetici mwa4wsuperconduttori per curvare la traiettoria delle particelle cariche, in modo da misurarne la mwa40quantità di moto.cite-ref-fact-sheets-1-9[1]cite-ref-bibbia-3-9[3]cite-ref-technical-proposal-4-9[4] La curvatura è dovuta alla mwa5oforza di Lorentz, il cui modulo risulta proporzionale alla carica mwa5s q {\displaystyle q} della mwa5wparticella, alla sua velocità mwa50 v {\displaystyle v} e all'intensità mwa54 B {\displaystyle B} del campo magnetico:

mwa6e F = q v B . {\displaystyle F=q\,v\,B.}

Siccome tutte le particelle prodotte nelle collisioni mwa6mprotoniche al LHC viaggiano ad una velocità prossima a quella della luce nel vuoto mwa6q ( v ≃ ≃ c ) {\displaystyle (v\simeq c)} , la mwa6uforza di Lorentz è circa la stessa per particelle con la stessa carica mwa6y q {\displaystyle q} :

mwa6k F ≃ ≃ q c B . {\displaystyle F\simeq q\,c\,B.}

Il raggio di curvatura mwa6s r {\displaystyle r} dovuto alla mwa6wForza di Lorentz è pari a

mwa68 r = p q B . {\displaystyle r={\frac {p}{q\,B}}.}

dove mwa7e p = γ γ m v {\displaystyle p=\gamma \,m\,v} è la mwa7iquantità di moto mwa7mrelativistica della particella. Di conseguenza, particelle con grande quantità di moto saranno poco deflesse (mwa7q r {\displaystyle r} grande), mentre la traiettoria di quelle con piccola quantità di moto sarà molto incurvata (mwa7u r {\displaystyle r} piccolo). Il mwa7yraggio di mwa7ccurvatura della traiettoria viene accuratamente misurato, e dal suo valore si deduce la mwa7gquantità di moto della particella.

Il magnete mwa7ssolenoidale interno produce un campo magnetico uniforme di 2 mwa7wT, che circonda il rivelatore interno.cite-ref-fact-sheets-1-10[1]cite-ref-bibbia-3-10[3]cite-ref-technical-proposal-4-10[4] Questo intenso campo magnetico permette d'incurvare anche la traiettoria delle mwa8kparticelle più mwa8oenergetiche quanto basta per misurarne la mwa8squantità di moto. Il mwa8wvettore mwa80 B {\displaystyle \mathbf {B} } del campo magnetico deve risultare costante in direzione ed intensità su tutto il volume del rivelatore interno, per garantire un'accurata misura della mwa84quantità di moto. Particelle con energia al di sotto dei 400 mwa88MeV subiranno una deflessione mwa9amagnetica così marcata che la loro traiettoria si avvita a mwa9espirale, e quasi certamente sfuggiranno alla rilevazione. Tuttavia si tratta di particelle poco mwa9ienergetiche, rispetto ai valori medi dell'mwa9menergia delle particelle prodotte nelle collisioni mwa9qprotoniche a 13 mwa9uTeV al LHC.

I mwa9gmagneti mwa9ktoroidali esterni sono formati da 24 enormi bobine mwa9osuperconduttrici, che forniscono un campo magnetico d’intensità fino a 3,5 mwa9sT. Il campo magnetico usato per deflettere le mwa9wparticelle nella regione esterna al mwa90calorimetro mwa94adronico non è uniforme, come nel caso del mwa98magnete mwa-asolenoidale interno, ma il costo proibitivo di un mwa-esolenoide di dimensione adatte ha imposto qui la scelta di mwa-imagneti mwa-mtoroidali. Ci sono tre magneti toroidali in ATLAS, ognuno formato da 8 bobine: i due più piccoli sono posti alle estremità dello mwa-qspettrometro, mentre il terzo mwa-umagnete ne circonda la parte centrale. Sono collocati al di fuori del mwa-ycalorimetro mwa-cadronico, all'interno dello spettrometro dei mwa-gmuoni. Coi suoi 25 m di lunghezza, 9,4 m di diametro interno e 20 m di diametro esterno, il toroide centrale di ATLAS è il più grande magnete toroidale mai fabbricato dall'uomo, che immagazzina un'energia pari a mwa-k 1 , 6 × × 10 9 {\displaystyle 1,6\times 10^{9}} mwa-o mwa-sJ. È costituito da più di 56mwa-w km di filo superconduttore e pesa circa 830mwa-0 mwa-4t. I due toroidi che chiudono le estremità del rivelatore estendono il campo magnetico anche nella regione vicina al tubo del fascio. Ognuno di essi ha un diametro esterno di 10,7mwa-8 m e pesa 240mwa-a mwa-et.

Lo mwa-qspettrometro è completato da una serie di quattro sotto rivelatori nelle due regioni in avanti, per misurare mwa-uparticelle anche ad angoli molto piccoli.cite-ref-run2-2-5[2]cite-ref-41[41]

1. LUCID (mwbaamwbaeLUminosity mwbaiCherenkov mwbamIntegrating mwbaqDetector) misura la luminosità del LHC ed è situato nella caverna ATLAS a 17mwbay m dal punto d'interazione (IP), tra i due rivelatori mwbacmuonici in avanti che si trovano in ciascuna delle due estremità dello mwbagspettrometro;

2. ZDC (mwbaomwbasZero mwbawDegree mwba0Calorimeter) misura le particelle neutre in asse rispetto ai fasci mwba8protonici ed è situato a 140mwbba m dall'IP nel tunnel LHC, dove i due fasci opposti sono nuovamente suddivisi in due tubi separati;

3. AFP (mwbbimwbbmAtlas mwbbqForward mwbbuProton) riconosce eventi diffrattivi, ed è situato tra 204 e 217mwbbc m dall'IP;

4. ALFA (mwbbkmwbboAbsolute mwbbsLuminosity mwbbwFor mwbb0ATLAS) misura la diffusione di protoni elastici, ed è situato a 240mwbb8 m dall'IP, appena prima dei mwbcamagneti deflettori dell'arco LHC.

I sistemi di lettura e rilevazione degli eventi negli mwbcqspettrometri prima di ATLAS erano basati su mwbcubus condivisi e paralleli come VMEbus o FASTBUS. Poiché una tale architettura non può gestire la mole di dati dei rivelatori al LHC, tutti i sistemi d'acquisizione dati di ATLAS si basano invece su collegamenti da punto a punto e reti di commutazione ad alta velocità. Anche disponendo di un'elettronica per la lettura dati avanzata, ATLAS genera troppi dati grezzi per leggerli o memorizzarli tutti. Avvengono 40 milioni d'interazioni protone-protone al secondo (40mwbcy mwbccMHz) al centro del rivelatore, che moltiplicati per i circa 25mwbcg mwbckMB di ogni evento grezzo producono un totale mwbco 1 {\displaystyle 1} mwbcs mwbcwPB = mwbc0 10 15 {\displaystyle 10^{15}} mwbc4 mwbc8B di dati grezzi al secondo. Evitando di scrivere i segmenti vuoti di ogni evento (soppressione degli zeri), che non contengono informazioni fisiche, la dimensione media di un evento si riduce a 1,6mwbda mwbdeMB, per un totale di mwbdi 64 {\displaystyle 64} mwbdm mwbdqTB = mwbdu 64 × × 10 12 {\displaystyle 64\times 10^{12}} mwbdy mwbdcB al secondo.cite-ref-fact-sheets-1-11[1]cite-ref-run2-2-6[2]cite-ref-bibbia-3-11[3]cite-ref-technical-proposal-4-11[4]

Per ridurre il flusso dei dati a livelli gestibili, ATLAS usa un sistema di selezione degli eventi – detto mwbeotrigger (grilletto) – che sceglie gli eventi con particolari caratteristiche, per farne poi un’analisi dettagliata. Il sistema di trigger di ATLAS esegue la selezione degli eventi in due passaggi.cite-ref-fact-sheets-1-12[1]cite-ref-run2-2-7[2]cite-ref-bibbia-3-12[3]cite-ref-technical-proposal-4-12[4]cite-ref-42[42]cite-ref-43[43]

1. Trigger di primo livello o L1, mwbguhardware, si basa su moduli elettronici appositamente progettati e costruiti, situati sul rivelatore. Utilizza per la selezione degli eventi informazioni provenienti dai mwbgycalorimetri e dallo mwbgcspettrometro dei muoni. La decisione di salvare i dati di un evento viene presa in meno di 2,5mwbgg μs. Come detto, la frequenza degli eventi prodotti dalle collisioni dei fasci di mwbgkprotoni è di mwbgo 40 {\displaystyle 40} mwbgs mwbgwMHz = mwbg0 4 × × 10 7 {\displaystyle 4\times 10^{7}} ev/s (eventi al secondo). Se l’evento supera la selezione, passa al trigger di secondo livello (L2), che può accettare fino a 100mwbg4 mwbg8kHz, pari a 100.000 ev/s. Il fattore di reiezione di L1 è quindi pari a 400.

2. Trigger di secondo livello o HLT (High Level Trigger), mwbhesoftware, utilizza una batteria di computer formata da circa 40.000 mwbhiCPU. Per decidere quali dei 100.000 ev/s provenienti da L1 salvare si conducono, in 200mwbhm μs, analisi mirate di ciascuna collisione. Vengono esaminati dati provenienti da specifiche regioni del rivelatore dette RoI (Regions of Interest), incluso il mwbhqrivelatore interno, per combinare tracce ricostruite e depositi di energia nei mwbhucalorimetri. Il fattore di reiezione di HTL è pari a 100: circa 1.000 ev/s (1mwbhy mwbhckHz) superano questa seconda selezione, e vengono inviati a delle banche dati, per essere successivamente analizzati in dettaglio.

ATLAS registra in modo permanente oltre mwbho 10 {\displaystyle 10} mwbhs mwbhwPB = mwbh0 10 16 {\displaystyle 10^{16}} mwbh4 mwbh8B di dati all’anno. La ricostruzione degli eventi mwbiaoffline viene eseguita su tutti gli eventi memorizzati. Il mwbiegrid computing viene ampiamente utilizzato per la ricostruzione degli eventi, consentendo l'uso parallelo della mwbiiCPU di mwbimreti di computer universitari e di laboratori sparsi in tutto il mondo. La struttura di calcolo di ATLAS usa codici mwbiqsoftware appositamente sviluppati per convertire i segnali grezzi provenienti dal rivelatore in informazioni che possono essere analizzate dai fisici. Mettendo assieme i segnali dei singoli rivelatori, il mwbiusoftware ricostruisce le tracce delle mwbiyparticelle, identifica il tipo di particella (ad esempio: mwbicelettrone o mwbigmuone) e fornisce altre indicazioni fisiche rilevanti per ricostruirne la mwbikmassa, l'mwbioenergia, la mwbisquantità di moto, la mwbiwcarica elettrica, lo mwbi0spin e la mwbi4vita media.cite-ref-fact-sheets-1-13[1]cite-ref-run2-2-8[2]

Individui e gruppi di ricerca all'interno della collaborazione ATLAS scrivono quindi il proprio codice per eseguire le analisi fisiche degli eventi. Il mwbjgsoftware per questa attività di ricerca è in fase di continuo sviluppo ed evoluzione. Lo scopo iniziale è di riconoscere le mwbjkparticelle rilevate dallo mwbjospettrometro e ricostruire eventi di decadimento di particelle pesanti in altre più leggere. L'obiettivo finale delle analisi è di misurare con precisione le proprietà di particelle già note, o di scoprirne di nuove. Nel corso di queste analisi, ATLAS processa ogni settimana mwbjs 25 {\displaystyle 25} mwbjw mwbj0PB = mwbj4 2 , 5 × × 10 16 {\displaystyle 2,5\times 10^{16}} mwbj8 mwbkaB di dati.cite-ref-fact-sheets-1-14[1]

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