Лиза Рэндалл - Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

Первые три слоя детектора CMS — от самого внутреннего до радиуса 11 см — состоят из пикселей размером 100 х 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 х 400 мкм; полное число таких пикселей в ATLAS — около 82 млн, то есть немного больше, чем в CMS.

Пиксельным детекторам с их десятками миллионов ячеек необходима сложная электронная система, обеспечивающая надежное 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, проходящей сквозь них, фиксируется по три точки. Начатые здесь треки 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 совпадению 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 пикселей самых глубоких слоев внутреннего детектора.

Большинство заряженных частиц, однако, живут достаточно долго, чтобы добраться до следующего элемента трекера, так что чаще всего детекторы регистрируют гораздо более длинную траекторию. Для этого снаружи от внутренних пиксельных детекторов, дающих высокое разрешение в двух направлениях, располагаются кремниевые стрипы (полоски), размеры которых в одном направлении сильно уступают размерам в другом. Длинные стрипы хорошо согласуются с цилиндрической формой установки и позволяют покрыть гораздо большую площадь (не забывайте, что площадь цилиндра с увеличением радиуса быстро увеличивается).

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 мелкопиксельных слоев, которые мы только что описали, идут четыре слоя кремниевых стрипов. Детекторные элементы здесь представляют 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 полосок во внутреннем трекере CMS составляет 9,6 млн. Все они необходимы для надежного восстановления траекторий большинства 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 кремниевым детектором, чувствительные элементы которого занимали площадь всего около 2 м 2.

Внутренний детектор ATLAS доходит до несколько меньшего радиуса — 1 м — и тянется в продольном направлении на 7 м. Как и в CMS, снаружи от трех внутренних пиксельных слоев располагается полупроводниковый стриповый детектор SCT, состоящий из четырех слоев кремниевых стрипов. В ATLAS использованы полоски длиной 12,6 см и шириной 80 мкм. Полная площадь SCT также 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 восстановлении 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 изготовлен не из кремния. Так называемый детектор переходного излучения TRT — самый внешний компонент внутреннего детектора — состоит из газонаполненных трубочек и служит не только трекером, но и детектором переходного излучения. Треки заряженных частиц регистрируются и измеряются, когда частицы ионизируют газ в «соломинках» — дрейфовых трубках длиной 144 см и толщиной 4 мм, снабженных в центральной части датчиками ионизации. 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 порождающими 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 информации ни к чему. Эти данные позволяют почувствовать масштаб и точность этих великолепных инструментов и, разумеется, важны для любого, кто работает с конкретным компонентом детектора. Но даже те, кто хорошо знаком с одним компонентом, редко с таким же вниманием следят за остальными. Я узнала об этом совершенно случайно, когда пыталась выяснить авторство нескольких фотографий детектора и понять, насколько точны некоторые графики и диаграммы. Так что не расстраивайтесь, если вам не удалось понять все это с первого раза. Все эти подробности известны, конечно, немногочисленным специалистам, координирующим строительство, но даже многие экспериментаторы не держат их постоянно в своей голове.

Пройдя сквозь три типа трекеров, частица попадает в следующую по ходу путешествия секцию детектора — электромагнитный калориметр (ECAL). Этот прибор регистрирует энергию, которую отдают при торможении все частицы — и заряженные, и нейтральные, — и координаты точки, в которой они покидают (если хватает энергии) его зону; в первую очередь речь идет о фотонах и электронах. Детекторный механизм отслеживает возникновение ливня частиц, который порождают случайные электроны и фотоны при взаимодействии с веществом калориметра. Эта часть детектора выдает для каждой из этих частиц и точное значение энергии, и координатную информацию.