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
Substruktur von Teilchen
Im Bereich der Elementarteilchenphysik wird untersucht, ob Leptonen und Quarks eine Substruktur haben und also aus anderen Teilchen zusammengesetzt sind. Damit könnte möglicherweise eine Antworte auf die Frage gefunden werden, ob es tatsächlich genau drei Generationen von Elementarteilchen gibt oder ob es gar noch weitere unentdeckte Teilchen gibt. Bislang (Stand: 2013) wurde keine Substruktur gefunden und solche Modelle konnten teilweise ausgeschlossen werden.[4]
Ursprung der Teilchenmassen
In einem weiteren Experiment wird der Frage nachgegangen, 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.
Vereinheitlichung der Wechselwirkungen
Die Vereinheitlichung der vier fundamentalen Wechselwirkungen zu einer Quantenfeldtheorie, die auch die Gravitation mit einbezieht, bildet einen weiteren Forschungsschwerpunkt. Da diese Vereinheitlichung erst auf Energieskalen weit jenseits der in absehbarer Zeit experimentell erreichbaren Energien geschieht, ist eine direkte Beobachtung nicht möglich. Supersymmetrie ist eine Voraussetzung für eine Vereinheitlichung, weshalb am ATLAS gezielt nach supersymmetrischen Teilchen gesucht wird. Gelänge es, supersymmetrische Partner der heute bekannten Elementarteilchen nachzuweisen, ließen sich zumindest drei der vier Grundkräfte vereinigen. Bislang (Stand: 2013) wurden keine neuen Teilchen entdeckt, die bisherigen Ausschlussgrenzen konnten jedoch verbessert werden.[6]
B-Physik
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.
Weitere Analysen
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. Das erste System (precision chambers) mit einer hohen Ortsauflösung wird primär zur Bestimmung von Spurverlauf und Impuls der Myonen eingesetzt, das zweite wird primär zur Triggerung, das heißt zur schnellen Markierung von physikalisch interessanten Ereignissen mit Myonen benutzt. Die Myonen können getrennt von anderen Teilchen gemessen werden, da sie nicht an der starken Wechselwirkung beteiligt sind und wegen ihrer großen Masse die Kalorimeter ungestört durchqueren können.
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
- 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
- ↑ Liste der Teilnehmer, abgerufen am 18. April 2011
- ↑ UK news from CERN Issue 3 (PDF; 162 kB)
- ↑ CERN Courier April 2009 zur Übernahme des Sprecheramts durch Fabiola Gianotti 2009
- ↑ 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)
- ↑ 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)
- ↑ ATLAS Kollaboration: ATLAS Supersymmetry (SUSY) searches. Abgerufen am 29. Oktober 2013 (englisch).
- ↑ 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.
- ↑ CERN: World’s largest superconducting magnet switches on. 20. November 2006, abgerufen am 29. Oktober 2013.