„ATLAS (Detektor)“ – Versionsunterschied

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'''ATLAS''' ist ein [[Teilchendetektor]] am [[Large Hadron Collider]] (LHC), einem [[Teilchenbeschleuniger]] am europäischen Kernforschungszentrum [[CERN]]. ATLAS stand ursprünglich für {{lang|en|'''A T'''oroidal '''L'''HC '''A'''pparatu'''S'''}}, wird aber mittlerweile nur noch als Eigenname benutzt. Unter anderem soll mit ATLAS erstmals das [[Higgs-Boson]], ein für die Erklärung der [[Masse (Physik)|Masse]] wichtiger Bestandteil, nachgewiesen werden sowie die derzeit kleinsten Bausteine der Materie, [[Lepton]]en und [[Quark (Physik)|Quarks]], auf eine etwaige Substruktur hin untersucht werden. Parallel zu ATLAS verfolgt auch der [[Compact Muon Solenoid|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.<ref>[http://graybook.cern.ch/programmes/experiments/lhc/ATLAS.html Liste der Teilnehmer], abgerufen am 18. April 2011</ref>
'''ATLAS''' ist ein [[Teilchendetektor]] am [[Large Hadron Collider]] (LHC), einem [[Teilchenbeschleuniger]] am europäischen Kernforschungszentrum [[CERN]]. ATLAS stand ursprünglich für {{lang|en|'''A T'''oroidal '''L'''HC '''A'''pparatu'''S'''}}, wird aber mittlerweile nur noch als Eigenname benutzt. Unter anderem soll mit ATLAS erstmals das [[Higgs-Boson]], ein für die Erklärung der [[Masse (Physik)|Masse]] wichtiger Bestandteil, nachgewiesen werden sowie die derzeit kleinsten bekannten Bausteine der Materie, [[Lepton]]en und [[Quark (Physik)|Quarks]], auf eine etwaige Substruktur hin untersucht werden. Parallel zu ATLAS verfolgt auch der [[Compact Muon Solenoid|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.<ref>[http://graybook.cern.ch/programmes/experiments/lhc/ATLAS.html Liste der Teilnehmer], abgerufen am 18. April 2011</ref>


Der Bau des [[Large Hadron Collider|LHC]] wurde im Februar 2008 abgeschlossen. Am 10. September 2008 wurde der ATLAS-Detektor erstmals getestet. Geplant ist der Betrieb von ATLAS bis mindestens 2025.
Der Bau des [[Large Hadron Collider|LHC]] wurde im Februar 2008 abgeschlossen, die ersten Teilchenkollisionen fanden 2009 statt. Geplant ist der Betrieb von ATLAS bis mindestens 2030.


Sprecher der Kollaboration ist zurzeit (2013) [[David Charlton|Dave Charlton]].<ref>[http://www.stfc.ac.uk/resources/pdf/uknewsfromcernissue31.pdf UK news from CERN Issue 3] (PDF; 162&nbsp;kB)</ref> Vorher waren [[Fabiola Gianotti]] (bis Februar 2013) und [[Peter Jenni]] (bis 2009) Sprecher der Kollaboration.<ref>[http://cerncourier.com/cws/article/cern/38709 CERN Courier April 2009 zur Übernahme des Sprecheramts durch Fabiola Gianotti 2009]</ref>
Sprecher der Kollaboration ist zurzeit (2013) [[David Charlton|Dave Charlton]].<ref>[http://www.stfc.ac.uk/resources/pdf/uknewsfromcernissue31.pdf UK news from CERN Issue 3] (PDF; 162&nbsp;kB)</ref> Vorher waren [[Fabiola Gianotti]] (bis Februar 2013) und [[Peter Jenni]] (bis 2009) Sprecher der Kollaboration.<ref>[http://cerncourier.com/cws/article/cern/38709 CERN Courier April 2009 zur Übernahme des Sprecheramts durch Fabiola Gianotti 2009]</ref>


2012 war die ATLAS-Kollaboration zusammen mit der unabhängig arbeitenden zweiten großen Kollaboration [[Compact Muon Solenoid|CMS]] an der Entdeckung eines neuen [[Boson]]s beteiligt, das mit dem [[Higgs-Boson]] kompatibel ist. Die genauen Eigenschaften müssen noch weiter erforscht werden.
2012 war die ATLAS-Kollaboration zusammen mit der unabhängig arbeitenden [[Compact Muon Solenoid|CMS]]-Kollaboration an der Entdeckung eines neuen [[Boson]]s beteiligt, das wahrscheinlich das gesuchte [[Higgs-Boson]] ist. Die genauen Eigenschaften werden noch weiter erforscht.


== ATLAS-Experiment ==
== Physik am ATLAS-Experiment ==
[[Datei:CERN Atlas Control Unit Pic5 2010-07-01.jpg|miniatur|Der ATLAS-Kontrollraum zur Techniküberwachung]]
[[Datei:CERN Atlas Control Unit Pic5 2010-07-01.jpg|miniatur|Der ATLAS-Kontrollraum zur Techniküberwachung]]
Eine wichtige Frage, die geklärt werden soll, ist, ob [[Lepton]]en und [[Quark (Physik)|Quarks]] eine Substruktur haben, also aus anderen Teilchen zusammengesetzt sind. Damit könnte möglicherweise beantwortet werden, warum es genau drei Generationen von [[Elementarteilchen]] gibt, oder ob es gar noch weitere unentdeckte Teilchen gibt. Bislang (2013) wurde keine Substruktur gefunden, und solche Modelle konnten teilweise ausgeschlossen werden.<ref>ATLAS Collaboration: ''Search for Production of Resonant States in the Photon-Jet Mass Distribution Using pp Collisions at √s=7  TeV Collected by the ATLAS Detector'', Phys. Rev. Lett. 108, 211802 (2012) ([http://arxiv.org/abs/1112.3580 online])</ref>
=== Suche nach unentdeckten Teilchen ===
Eine wichtige Frage, die geklärt werden soll, ist, ob [[Lepton]]en und [[Quark (Physik)|Quarks]] eine Substruktur haben. Damit könnte möglicherweise beantwortet werden, warum es genau drei Generationen von [[Elementarteilchen]] gibt, oder ob es gar noch weitere unentdeckte Teilchen gibt.


Ein weiteres Problem der [[Elementarteilchenphysik]] 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.
Eine weitere Frage der [[Elementarteilchenphysik]] ist, wie es zu den stark unterschiedlichen Massen der Elementarteilchen kommt. Die Massen reichen von den winzigen, noch nicht genau bekannten Massen der [[Neutrino]]s bis zur Masse des Top-Quarks, die der eines Gold-Atoms entspricht. Damit ist das schwerste Elementarteilchen mindestens 200 Milliarden mal so schwer ist wie das Leichteste. Untersucht wird in diesem Zusammenhang der [[Higgs-Mechanismus]]. Danach entstehen unterschiedliche Teilchenmassen, weil Teilchen unterschiedlich stark an das Higgsfeld koppeln. Daher hofft man, [[Higgs-Boson]]en als Anregung des Higgsfeldes nachweisen zu können. Dies ist möglich, indem man die Zerfälle der Teilchen untersucht. Es wurde bereits ein Teilchen entdeckt, das in allen gemessenen Parametern mit dem vorhergesagten Higgs-Boson übereinstimmt.<ref>ATLAS Kollaboration: ''Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC'', Phys.Lett. B716 (2012) 1-29 ([http://arxiv.org/abs/1207.7214 online])</ref> Unklar bleibt aber auch mit dem Higgs-Mechanismus, wieso die Kopplungskonstanten so verschieden sind.
Danach entstehen unterschiedliche Teilchenmassen, weil Teilchen unterschiedlich stark an das Higgsfeld koppeln. Daher hofft man, [[Higgs-Boson]]en als Anregung des Higgsfeldes nachweisen zu können. Dies ist möglich, indem man die Zerfälle der Teilchen untersucht. Es wurde bereits ein Teilchen entdeckt, das in allen gemessenen Parametern mit dem vorhergesagten Higgs-Boson übereinstimmt. Unklar bleibt aber auch mit dem Higgs-Mechanismus, wieso die Kopplungskonstanten so verschieden sind.


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 zumindest drei der vier Grundkräfte in einem Punkt vereinigen. Der Nachweis einer Vereinheitlichung wäre ohne die vergleichsweise einfache [[Supersymmetrie]] nur schwer möglich. Deswegen sucht ATLAS auch nach supersymmetrischen Teilchen.
Ebenfalls Forschungsschwerpunkt 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. Allerdings würde es der Nachweis supersymmetrischer Partner der heute bekannten Elementarteilchen ermöglichen, zumindest drei der vier Grundkräfte zu vereinigen. Der Nachweis einer Vereinheitlichung wäre ohne [[Supersymmetrie]] nur schwer möglich. Deswegen sucht ATLAS auch nach supersymmetrischen Teilchen. Bislang (2013) wurden keine gefunden und die bisherigen Ausschlussgrenzen konnten verbessert werden.<ref>{{Internetquelle|url=https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/AtlasPublic/SupersymmetryPublicResults|autor=ATLAS Kollaboration|titel=ATLAS Supersymmetry (SUSY) searches |zugriff=2013-10-29|sprache=englisch}}</ref>


Darüber hinaus wird am ATLAS-Detektor auch [[B-Physik]] betrieben. Dabei wird der Zerfall von B-Mesonen und ihrer [[Antiteilchen]] beobachtet. Wenn sich dabei Unterschiede in den Wahrscheinlichkeiten für bestimmte [[Zerfallskanal|Zerfallskanäle]] zwischen Teilchen und Antiteilchen zeigen, ist 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. Diese Messungen ergänzen und überprüfen oft Ergebnisse des [[LHCb]]-Experiments, beispielsweise bei der Mischung von [[B-Meson|B<sub>s</sub>-Mesonen]].<ref>{{Internetquelle|url=http://arxiv.org/abs/1208.0572|autor=ATLAS Kollaboration|titel=Time-dependent angular analysis of the decay Bs -> J/psi phi and extraction of Delta Gamma_s and the CP-violating weak phase phi_s by ATLAS|datum=2013-03-24|zugriff=2013-10-29}}</ref>
=== B-Physik ===
Man hofft aber auch bisher unbekannte CP-verletzende Prozesse durch die Entdeckung neuer Teilchen, beispielsweise das Higgs-Boson und supersymmetrische Teilchen, zu finden.
Darüber hinaus wird am ATLAS-Detektor auch [[B-Physik]] betrieben. Dabei wird der Zerfall von B-Mesonen und ihrer [[Antiteilchen]] beobachtet. Wenn sich dabei Unterschiede in den Wahrscheinlichkeiten für bestimmte [[Zerfallskanal|Zerfallskanäle]] zwischen Teilchen und Antiteilchen zeigen, ist 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, beispielsweise supersymmetrische 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 [[Quantenchromodynamik|QCD]]-Prozesse sowie Teilchen mit anormalen [[Quantenzahl]]en ([[Leptoquark]]s, [[Dilepton]]en, usw.).
Neben diesen Hauptaufgaben ist der ATLAS-Detektor darüber hinaus auch darauf ausgelegt, weitere Forschungsfelder abzudecken. Dazu zählen etwa Prozesse der [[Quantenchromodynamik]] sowie Teilchen mit anormalen [[Quantenzahl]]en wie beispielsweise [[Leptoquark]]s oder [[Dilepton]]en.


== Aufbau ==
== Aufbau ==
=== Technische Daten ===
=== Technische Daten ===
ATLAS ist ein 45&nbsp;m langer, zylindrischer, 7.000 Tonnen schwerer Detektor mit einem Durchmesser von 22&nbsp;m. Das Experiment besteht aus vier übergeordneten Systemen. Diese sind, wie bei Teilchendetektoren für [[Colliding-Beam-Experiment]]e üblich, in einer Zwiebelschalenstruktur angeordnet, wobei jede Schicht andere Teilchen und andere Eigenschaften der Teilchen misst.
ATLAS ist ein 46&nbsp;m langer, zylindrischer, 7.000 Tonnen schwerer Detektor mit einem Durchmesser von 25&nbsp;m. Damit ist er der größte Teilchendetektor, der bislang an einem Teilchenbeschleuniger gebaut wurde.<ref>{{Internetquelle|url=http://web.archive.org/web/20070228133909/http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2006/PR17.06E.html|titel=World's largest superconducting magnet switches on|autor=CERN|datum=2006-11-20|zugriff=2013-10-29}}</ref> Das Experiment besteht aus vier übergeordneten Systemen. Diese sind, wie bei Teilchendetektoren für [[Colliding-Beam-Experiment]]e üblich, in einer Zwiebelschalenstruktur angeordnet, wobei jede Schicht andere Teilchen und andere Eigenschaften der Teilchen misst.


=== Magnetsystem ===
=== Magnetsystem ===
Das Magnetsystem erzeugt das magnetische Feld, welches geladene Teilchen ablenkt. Es besteht aus dem Endkappen-[[Toroid]]en und dem Barrel-Toroiden. Toroiden sind Magnete in Form eines Torus, welche im Inneren ein sehr homogenes Magnetfeld erzeugen. Durch die Krümmung der Flugbahn geladener Teilchen kann ihr Impuls bestimmt werden.
Das Magnetsystem erzeugt das magnetische Feld, welches geladene Teilchen ablenkt. Es besteht aus einem zentralen [[Solenoid]]-Magnetfeld von 2 [[Tesla (Einheit)|Tesla]], dem Endkappen-[[Toroid]]en und dem Barrel-Toroiden. Toroiden sind Magnete in Form eines Torus, welche im Inneren ein sehr homogenes Magnetfeld erzeugen. Durch die Krümmung der Flugbahn geladener Teilchen kann ihr Impuls bestimmt werden.


=== Innerer Detektor ===
=== Innerer Detektor ===
Der Innere Detektor besteht aus drei Subdetektoren, die sich in einem solenoiden Magnetfeld von 2 [[Tesla (Einheit)|Tesla]] befinden. Der innerste Teil ist der ATLAS-Pixeldetektor mit drei Lagen Silizium-Sensoren. Die Sensoren beginnen in einem Abstand von 50,5&nbsp;mm um den Wechselwirkungsbereich der Strahlen herum und erlauben eine hohe Auflösung der einzelnen Wechselwirkungspunkte. Um den Pixeldetektor herum schließt sich ein Silizium-Streifendetektor an, der weitere Spurpunkte zur Bestimmung der Flugbahn liefert. Der [[Übergangsstrahlungsdetektor|Übergangsstrahlungsspurdetektor]] (engl. {{lang|en|Transition Radiation Tracker}}, TRT) ist der äußerste Teil des inneren Detektors und registriert etwa 30 Spurpunkte pro durchgehendem ionisierenden Teilchen. Durch den Nachweis von Übergangsstrahlung kann außerdem zwischen Elektronen und Hadronen unterschieden werden.
Der Innere Detektor besteht aus drei Subdetektoren. Der innerste Teil ist der ATLAS-Pixeldetektor mit drei Lagen [[Halbleiterdetektor|Siliziumsensoren]]. Die Sensoren beginnen in einem Abstand von 50,5&nbsp;mm um den Wechselwirkungsbereich der Strahlen herum und erlauben eine hohe Auflösung der einzelnen Wechselwirkungspunkte. Um den Pixeldetektor herum schließt sich ein Silizium-Streifendetektor an, der weitere Spurpunkte zur Bestimmung der Flugbahn liefert. Der [[Übergangsstrahlungsdetektor|Übergangsstrahlungsspurdetektor]] (engl. {{lang|en|Transition Radiation Tracker}}, TRT) ist der äußerste Teil des inneren Detektors und registriert etwa 30 Spurpunkte pro durchgehendem ionisierenden Teilchen. Durch den Nachweis von Übergangsstrahlung kann außerdem zwischen [[Elektron]]en und [[Hadron]]en unterschieden werden.


=== Kalorimetersystem ===
=== Kalorimetersystem ===
Das [[Kalorimeter (Teilchenphysik)|Kalorimetersystem]] besteht aus einem [[elektromagnetisch]]en Kalorimeter und einem [[hadron]]ischen 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 Teil des hadronischen Kalorimeters beruht auf Szintillator-Technik. Das elektromagnetische Kalorimeter bestimmt Impuls und Energie von elektromagnetisch wechselwirkenden Teilchen. Der Wechselwirkungsquerschnitt ist dabei umgekehrt proportional zur Masse des geladenen Teilchens, weshalb vorrangig Elektronen-Photonen-Schauer und kaum die schwereren Myonen detektiert werden. Das sich nach außen hin anschließende hadronische Kalorimeter bestimmt Art, Impuls und Energie der Hadronen.
Das [[Kalorimeter (Teilchenphysik)|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 [[Kryostat]]en eingebaut. Der äußere Teil des hadronischen Kalorimeters beruht auf [[Szintillator]]-Technik. Das elektromagnetische Kalorimeter bestimmt Impuls und Energie von elektromagnetisch wechselwirkenden Teilchen. Der Wechselwirkungsquerschnitt ist dabei umgekehrt proportional zur Masse des geladenen Teilchens, weshalb vorrangig Elektronen-Photonen-Schauer und kaum die schwereren Myonen detektiert werden. Das sich nach außen hin anschließende hadronische Kalorimeter bestimmt Art und Energie der Hadronen.


=== Myon-Detektoren ===
=== Myon-Detektoren ===
Es werden zwei verschiedene Myon-Systeme eingesetzt, die einen primär zur Bestimmung des Spurverlaufs (mit einer hohen Ortsauflösung) und Impuls der Myonen ({{lang|en|precision chambers}}) und die anderen werden primär zur Triggerung (schnelle Markierung von physikalisch interessanten Ereignissen) von Ereignissen mit Myonen benutzt.
Es werden zwei verschiedene Myon-Systeme eingesetzt, die einen primär zur Bestimmung des Spurverlaufs (mit einer hohen Ortsauflösung) und Impuls der Myonen ({{lang|en|precision chambers}}) und die anderen werden primär zur [[Trigger (Physik|Trigger (Physik]]ung (schnelle Markierung von physikalisch interessanten Ereignissen) von Ereignissen mit Myonen benutzt.
Die Myonen können getrennt gemessen werden, da sie auf Grund ihrer großen Masse die Kalorimeter ungestört durchqueren.
Die Myonen können getrennt von anderen Teilchen gemessen werden, da sie nicht an der starken Wechselwirkung beteiligt sind sowie eine große Masse haben und daher die Kalorimeter ungestört durchqueren.


== Literatur ==
== Literatur ==

Version vom 29. Oktober 2013, 22:59 Uhr

Vorlage:LHC

Karte: Schweiz
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ATLAS (Detektor)
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 bekannten 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, die ersten Teilchenkollisionen fanden 2009 statt. Geplant ist der Betrieb von ATLAS bis mindestens 2030.

Sprecher der Kollaboration ist zurzeit (2013) Dave Charlton.[2] Vorher waren Fabiola Gianotti (bis Februar 2013) und Peter Jenni (bis 2009) Sprecher der Kollaboration.[3]

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

Physik am ATLAS-Experiment

Der ATLAS-Kontrollraum zur Techniküberwachung

Eine wichtige Frage, die geklärt werden soll, ist, ob Leptonen und Quarks eine Substruktur haben, also aus anderen Teilchen zusammengesetzt sind. Damit könnte möglicherweise beantwortet werden, warum es genau drei Generationen von Elementarteilchen gibt, oder ob es gar noch weitere unentdeckte Teilchen gibt. Bislang (2013) wurde keine Substruktur gefunden, und solche Modelle konnten teilweise ausgeschlossen werden.[4]

Eine weitere Frage der Elementarteilchenphysik ist, wie es zu den stark unterschiedlichen Massen der Elementarteilchen kommt. Die Massen reichen von den winzigen, noch nicht genau bekannten Massen der Neutrinos bis zur Masse des Top-Quarks, die der eines Gold-Atoms entspricht. Damit ist das schwerste Elementarteilchen mindestens 200 Milliarden mal so schwer ist wie das Leichteste. Untersucht wird in diesem Zusammenhang der Higgs-Mechanismus. Danach entstehen unterschiedliche Teilchenmassen, weil Teilchen unterschiedlich stark an das Higgsfeld koppeln. Daher hofft man, Higgs-Bosonen als Anregung des Higgsfeldes nachweisen zu können. Dies ist möglich, indem man die Zerfälle der Teilchen untersucht. Es wurde bereits ein Teilchen entdeckt, das in allen gemessenen Parametern mit dem vorhergesagten Higgs-Boson übereinstimmt.[5] Unklar bleibt aber auch mit dem Higgs-Mechanismus, wieso die Kopplungskonstanten so verschieden sind.

Ebenfalls Forschungsschwerpunkt 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. Allerdings würde es der Nachweis supersymmetrischer Partner der heute bekannten Elementarteilchen ermöglichen, zumindest drei der vier Grundkräfte zu vereinigen. Der Nachweis einer Vereinheitlichung wäre ohne Supersymmetrie nur schwer möglich. Deswegen sucht ATLAS auch nach supersymmetrischen Teilchen. Bislang (2013) wurden keine gefunden und die bisherigen Ausschlussgrenzen konnten verbessert werden.[6]

Darüber hinaus wird am ATLAS-Detektor auch B-Physik betrieben. 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, ist 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. Diese Messungen ergänzen und überprüfen oft Ergebnisse des LHCb-Experiments, beispielsweise bei der Mischung von Bs-Mesonen.[7] Man hofft aber auch bisher unbekannte CP-verletzende Prozesse durch die Entdeckung neuer Teilchen, beispielsweise das Higgs-Boson und supersymmetrische Teilchen, zu finden.

Neben diesen Hauptaufgaben ist der ATLAS-Detektor darüber hinaus auch darauf ausgelegt, weitere Forschungsfelder abzudecken. Dazu zählen etwa Prozesse der Quantenchromodynamik sowie Teilchen mit anormalen Quantenzahlen wie beispielsweise Leptoquarks oder Dileptonen.

Aufbau

Technische Daten

ATLAS ist ein 46 m langer, zylindrischer, 7.000 Tonnen schwerer Detektor mit einem Durchmesser von 25 m. Damit ist er der größte Teilchendetektor, der bislang an einem Teilchenbeschleuniger gebaut wurde.[8] 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 einem zentralen Solenoid-Magnetfeld von 2 Tesla, dem Endkappen-Toroiden und dem Barrel-Toroiden. Toroiden sind Magnete in Form eines Torus, welche im Inneren ein sehr homogenes Magnetfeld erzeugen. Durch die Krümmung der Flugbahn geladener Teilchen kann ihr Impuls bestimmt werden.

Innerer Detektor

Der Innere Detektor besteht aus drei Subdetektoren. Der innerste Teil ist der ATLAS-Pixeldetektor mit drei Lagen Siliziumsensoren. Die Sensoren beginnen in einem Abstand von 50,5 mm um den Wechselwirkungsbereich der Strahlen herum und erlauben eine hohe Auflösung der einzelnen Wechselwirkungspunkte. Um den Pixeldetektor herum schließt sich ein Silizium-Streifendetektor an, der weitere Spurpunkte zur Bestimmung der Flugbahn liefert. Der Übergangsstrahlungsspurdetektor (engl. Transition Radiation Tracker, TRT) ist der äußerste Teil des inneren Detektors und registriert etwa 30 Spurpunkte pro durchgehendem ionisierenden Teilchen. Durch den Nachweis von Übergangsstrahlung kann außerdem zwischen Elektronen und Hadronen unterschieden werden.

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 Teil des hadronischen Kalorimeters beruht auf Szintillator-Technik. Das elektromagnetische Kalorimeter bestimmt Impuls und Energie von elektromagnetisch wechselwirkenden Teilchen. Der Wechselwirkungsquerschnitt ist dabei umgekehrt proportional zur Masse des geladenen Teilchens, weshalb vorrangig Elektronen-Photonen-Schauer und kaum die schwereren Myonen detektiert werden. Das sich nach außen hin anschließende hadronische Kalorimeter bestimmt Art und Energie der Hadronen.

Myon-Detektoren

Es werden zwei verschiedene Myon-Systeme eingesetzt, die einen primär zur Bestimmung des Spurverlaufs (mit einer hohen Ortsauflösung) und Impuls der Myonen (precision chambers) und die anderen werden primär zur Trigger (Physikung (schnelle Markierung von physikalisch interessanten Ereignissen) von Ereignissen mit Myonen benutzt. Die Myonen können getrennt von anderen Teilchen gemessen werden, da sie nicht an der starken Wechselwirkung beteiligt sind sowie eine große Masse haben und daher die 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

Einzelnachweise

  1. Liste der Teilnehmer, abgerufen am 18. April 2011
  2. UK news from CERN Issue 3 (PDF; 162 kB)
  3. CERN Courier April 2009 zur Übernahme des Sprecheramts durch Fabiola Gianotti 2009
  4. ATLAS Collaboration: Search for Production of Resonant States in the Photon-Jet Mass Distribution Using pp Collisions at √s=7  TeV Collected by the ATLAS Detector, Phys. Rev. Lett. 108, 211802 (2012) (online)
  5. ATLAS Kollaboration: Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC, Phys.Lett. B716 (2012) 1-29 (online)
  6. ATLAS Kollaboration: ATLAS Supersymmetry (SUSY) searches. Abgerufen am 29. Oktober 2013 (englisch).
  7. ATLAS Kollaboration: Time-dependent angular analysis of the decay Bs -> J/psi phi and extraction of Delta Gamma_s and the CP-violating weak phase phi_s by ATLAS. 24. März 2013, abgerufen am 29. Oktober 2013.
  8. CERN: World's largest superconducting magnet switches on. 20. November 2006, abgerufen am 29. Oktober 2013.