ATLAS – der Detektor

Ziel der beiden großen LHC-Experimente ATLAS und CMS ist es, Antworten auf möglichst viele Schlüsselfragen der heutigen Teilchenphysik zu finden. Die Physiker bei ATLAS setzen dabei auf den größten Teilchendetektor, der je an einem Beschleuniger gebaut wurde.

Dies ist der zweite Teil unseres ATLAS-Artikels. Zurück zum ersten Teil.

Ziel des ATLAS-Experiments ist es, mit Hilfe eines großen Universaldetektors am LHC wichtige Schlüsselfragen der heutigen Elementarteilchenphysik experimentell zu untersuchen. Bei der Konzeption von ATLAS wurde großen Wert darauf gelegt, dass möglichst viele verschiedene Facetten des vom LHC eröffneten Physikprogramms abgedeckt werden können. Dies wird dadurch erreicht, dass die zahlreichen Teilchen im Endzustand – also nach der Proton-Proton-Kollision – gut identifiziert und vermessen werden können. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Vermessung von Elektronen, Myonen und Tau-Leptonen. Darüber hinaus spielt die genaue Vermessung von Jets, die aus produzierten Quarks oder Gluonen stammen, eine wichtige Rolle beim Nachweis der so genannten fehlenden transversalen Energie, die von schwach wechselwirkenden Teilchen weggetragen werden kann.

Der ATLAS-Detektor ist mit einer Länge von 46 Metern und einem Durchmesser von 25 Metern der größte bislang gebaute Detektor der Elementarteilchenphysik. Er wird in einer internationalen Kollaboration von knapp 3000 Physikern von 170 Universitäten und Forschungsinstituten aus 37 Ländern gebaut und betrieben. Seit 2009 zeichnet er Proton-Proton-Kollisionen bei den höchsten jemals in einem Beschleuniger erreichten Energien auf. Bei der am LHC geplanten Strahlintensität kommt es pro Sekunde zu etwa einer Milliarde Proton-Proton-Wechselwirkungen, die im Detektor eine Datenmenge von mehr als vierzig Millionen Megabyte erzeugen. Allerdings werden in dieser Datenflut nur einige wenige interessante Ereignisse enthalten sein, die zu neuen Entdeckungen führen.

ATLAS-Detektor

Um die großen Anforderungen an den Detektor meistern zu können, waren im Bereich der Detektortechnologie umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten notwendig, die vor und während der Bauphase von Universitäten und Forschungsinstituten, teilweise in Zusammenarbeit mit der Industrie, durchgeführt wurden.

Wie jeder Detektor der Elementarteilchenphysik wird auch der ATLAS-Detektor die charakteristischen Größen der in der Kollision erzeugten Teilchen vermessen. Hierzu gehören die Messung der Impulse der geladenen Teilchen in einem Magnetfeld, die Messung der Energien von geladenen und neutralen Teilchen sowie die Vermessung der Gesamtenergie aller entstandenen Teilchen. Letztere ist besonders wichtig, um Hinweise auf neuartige Teilchen zu erhalten, die im Detektor nicht reagieren und diesen daher verlassen, ohne ihre Energie in den Detektorkomponenten zu deponieren. Beispiele für solche Teilchen sind das – bereits bekannte – Neutrino sowie das im Rahmen der Theorie der Supersymmetrie postulierte „leichteste supersymmetrische Teilchen“. Hinweise auf die Produktion solcher Teilchen in Proton-Proton-Kollisionen zeigen sich in Ereignissen mit einer nicht ausgeglichenen Impuls/Energie-Bilanz.

Der ATLAS-Detektor besteht aus drei Hauptdetektorkomponenten – dem Inneren Detektor, dem Kalorimeter und dem Myonsystem – sowie einem komplexen Trigger- und Datennahmesystem, die im Folgenden kurz beschrieben werden.

Der Innere Detektor

ATLAS-Magnetspulensystem

Der Innere Detektor hat die Aufgabe, die Bahnkurven der bei der Kollision produzierten elektrisch geladenen Teilchen in einem Magnetfeld zu vermessen. Bei bekanntem Magnetfeld kann aus der Bahnkurve der Impuls des Teilchens rekonstruiert werden. Darüber hinaus muss der Entstehungsort der geladenen Teilchen bestimmt werden. Dies ist besonders wichtig, um schwere Quarks beziehungsweise Mesonen, die schwere Quarks enthalten, zu identifizieren. Eine besondere Rolle spielt hierbei das b-Quark, da B-Mesonen – also Mesonen, die ein b-Quark enthalten – eine für Elementarteilchen relativ lange Lebensdauer von etwa 1,5 Pikosekunden haben. Berücksichtigt man die relativistische Zeitdilatation, so legen diese Mesonen im Mittel Wegstrecken von einigen Millimetern zurück, bevor sie in leichtere Teilchen zerfallen. Aufgrund der hohen Spurdichte ist die Rekonstruktion dieses Zerfallspunktes eine extrem große Herausforderung.

ATLAS-Installation

Der Innere Detektor ist eingebettet in ein Magnetfeld von zwei Tesla, das von einem supraleitenden Solenoidmagnet erzeugt wird. Er umfasst ein Zylindervolumen mit einem Radius von 1,15 Metern und einer Länge von etwa 7 Metern. Im inneren Bereich, das heißt in der Nähe des Wechselwirkungspunktes der Protonen, kommen hochauflösende und hocheffiziente Halbleiterdetektorelemente als Nachweisgeräte zum Einsatz. Sie bestehen aus etwa 80 Millionen kleiner, rechteckiger Pixel, die auf Siliziumchips angeordnet sind. Diese Pixel erlauben es, benachbarte Spuren auch in Bereichen mit hoher Spurdichte gut zu trennen und die Spurkoordinaten mit einer Genauigkeit von etwa 14 Mikrometern zu vermessen. An diese Pixellagen schließen sich Lagen aus Silizium-Streifenzählern an, die eine etwas gröbere Auflösung haben. Auch hier beläuft sich die Zahl der Auslesekanäle auf einige Millionen, die Spurkoordinaten können mit einer Genauigkeit von etwa 20 Mikrometern gemessen werden.

ATLAS-Komponente

An die Silizium-Detektorlagen schließt sich ein sogenannter Übergangsstrahlungs-Spurdetektor an. Er besteht aus einigen Hunderttausend dünnen, mit Xenon-Gas gefüllten Röhren (straw tubes), entlang deren Achse jeweils ein dünner Anodendraht verläuft. Geladene Teilchen ionisieren beim Durchgang durch die Röhrchen das Gas und induzieren dadurch elektrische Signale, die zum Teilchennachweis verwendet werden können. Der Zeitpunkt des Signals erlaubt es, die Teilchenkoordinaten auf typischerweise 150 Mikrometer genau zu bestimmen. Die Röhrchen sind eingebettet in einen speziellen Schaum aus Polyethylen, in dem insbesondere hochrelativistische Elektronen elektromagnetische Strahlung im Röntgenbereich erzeugen, die sogenannte Übergangsstrahlung. Die dabei erzeugten Röntgenquanten können ihrerseits wieder im Xenon-Gas absorbiert werden. Die entsprechende Signatur wird im ATLAS-Detektor benutzt, um Elektronen zu identifizieren.

Die Kalorimeter

Der innere Spurdetektor von ATLAS

Mit Hilfe der Kalorimeter wird die Energie der in der Kollision entstehenden geladenen und neutralen Teilchen gemessen. Sie umschließen den inneren Spurdetektor und die Solenoidspule. Bei den ATLAS-Kalorimetern handelt es sich um sogenannte sampling calorimeter, die abwechselnd aus Absorberlagen von Materialien hoher Dichte (zum Beispiel Blei oder Kupfer) und Nachweislagen (zum Beispiel flüssiges Argon oder Plastikszintillatoren) aufgebaut sind. Aufgrund der elektromagnetischen Wechselwirkung mit dem Absorber- und Detektormaterial deponieren die einfallenden Teilchen ihre gesamte Energie im Kalorimeter. Diese wird hauptsächlich auf Sekundärteilchen übertragen, die in verschiedenen Wechselwirkungsprozessen entstehen. Typische Beispiele hierfür sind die Abstrahlung von Photonen durch Elektronen aufgrund von Bremsstrahlung und die Elektron-Positron-Paarbildung aus einem Photon im Coulomb-Feld eines Atomkerns. Durch solche Prozesse wird die gesamte deponierte Energie in einen Schauer aus zahlreichen Teilchen niedrigerer Energie übertragen. Diese erzeugen in den aktiven Lagen hauptsächlich aufgrund von Ionisations- und Anregungsprozessen ein messbares Signal, das direkt proportional zur ursprünglichen Teilchenenergie ist.

Das sogenannte elektromagnetische Kalorimeter absorbiert und misst die Energien der produzierten Elektronen und Photonen. Es ist aus 1,9 Millimeter dicken Absorberlagen aus Blei mit einer Edelstahl-Beschichtung aufgebaut, zwischen denen sich flüssiges Argon als Nachweismedium befindet. Die Absorberplatten des elektromagnetischen Kalorimeters haben eine besondere, erstmalig realisierte, akkordeon-ähnliche Geometrie. Aufgrund dieses Aufbaus ergibt sich eine gleichförmige Antwortfunktion des Kalorimeters, unabhängig von der Einfallsrichtung des Teilchens. Das elektromagnetische Kalorimeter besteht aus vielen unabhängigen, separat ausgelesenen Detektorzellen, wobei eine einzelne Zelle auf dem inneren Zylindermantel eine Fläche von etwa 2,5 mal 2,5 Zentimetern abdeckt. Insgesamt besteht das gesamte elektromagnetische Kalorimeter aus etwa 190.000 Auslesezellen.

ATLAS-Kalorimeter

An die elektromagnetischen Kalorimeter schließen sich die hadronischen Kalorimeter an. Diese bestehen im Zentralbereich des Detektors aus einem Eisen-Absorber-Kalorimeter mit Plastik-Szintillatoren als Nachweismedium. In den Endkappenbereichen wird ein Flüssig-Argon-Kalorimeter mit Kupfer-Absorberplatten eingesetzt.

Das Myonspektrometer

Myonen sind die einzigen elektrisch geladenen Teilchen, die in den Kalorimetern nicht absorbiert werden können und diese durchdringen. Ihr Impuls wird im ATLAS-Detektor unabhängig von der Messung im Inneren Detektor in einem separaten Myonspektrometer gemessen, das sich außerhalb der Kalorimeter befindet. Zu diesem Zweck wird ein ungewöhnlich großes System von Toroidmagneten eingesetzt. Im Zentralbereich des ATLAS-Detektors erzeugen acht supraleitende Magnetspulen ein Magnetfeld in einem großen Volumen mit einer integrierten Biegekraft von drei bis acht Tesla-Metern. Das Toroidsystem enthält supraleitendes Kabel mit einer Gesamtlänge von mehr als siebzig Kilometern und hat einen nominellen Strom von 20.000 Ampere mit einer gespeicherten Energie von mehr als einem Giga-Joule.

Die meisten der Myondetektoren bestehen aus langen gasgefüllten Driftröhren unter hohem Druck (high pressure drift tubes) mit einem Anodendraht, der parallel zur Zylinderachse gespannt ist. Auch hier werden die Orte, an denen die Teilchen durch die Röhren hindurchfliegen, mit Hilfe der Ionisation des Driftkammergases registriert. Aus der Messung der Driftzeit können die Koordinaten mit einer Genauigkeit von etwa hundert Mikrometern gemessen werden.

ATLAS-Myonsystem

Das Trigger- und Datennahmesystem

Um die ankommende Datenflut auf ein handhabbares Maß zu reduzieren und dabei gleichzeitig die interessanten Ereignisse auszuwählen und zu speichern, verfügt ATLAS über ein mehrstufiges Trigger- und Datennahmesystem. Im Trigger wird die Auswahl der interessanten Ereignisse in drei Stufen ausgeführt. Der Level-1-Trigger besteht aus speziell entwickelten Hardware-Prozessoren, in denen für jede Proton-Proton-Strahlkreuzung eine Teilmenge der Daten (Kalorimeter- und Myonkammer-Informationen) mit einer relativ groben Auflösung parallel prozessiert wird. In dieser Teilmenge der Daten wird innerhalb einer Entscheidungszeit von zwei Mikrosekunden nach charakteristischen Merkmalen gesucht, wie beispielsweise nach elektromagnetischen Energiedepositionen, Jets mit hohen Transversalenergien oder fehlender transversaler Energie. Falls diese Kriterien erfüllt sind, wird das Ereignis zur weiteren Verarbeitung an die zweite Triggerstufe weitergeleitet.

Von den vierzig Millionen Strahlkreuzungen pro Sekunde werden in der ersten Triggerstufe etwa 75.000 selektiert. Der Level-2-Trigger besteht aus einem System von programmierbaren Prozessoren, in denen die im Level-1 als interessant identifizierten Detektorregionen detaillierter und mit einer verbesserten Auflösung analysiert werden. Weniger als tausend Ereignisse pro Sekunde passieren die Level-2-Bedingungen und werden zur dritten Stufe, dem Ereignisfilter, geschickt. Der Ereignisfilter besteht aus einer großen Farm von CPUs, in denen eine vollständige Rekonstruktion und Analyse der gesamten Ereignisse durchgeführt wird. Erst wenn auch hier die Bedingungen erfüllt sind, wird das Ereignis für die spätere Datenanalyse auf Speichermedien geschrieben. Von den ursprünglich vierzig Millionen Strahlkreuzungen werden etwa 200 pro Sekunde selektiert und für die Weiterverarbeitung gespeichert.