ATLAS実験

大型ハドロン衝突型加速器
(LHC)

LHC実験と前段階の加速器の計画。
LHC実験
アトラス	トロイダルLHC装置
コンテンツ管理システム	コンパクトミューオンソレノイド
LHCb	LHC-ビューティー
アリス	大型イオン衝突型加速器実験
トーテム	全断面積、弾性散乱および回折解離
LHCf	LHC フォワード
モエダル	LHC のモノポールおよびエキゾチック検出器
ファサー	前方検索実験
SND	散乱およびニュートリノ検出器
LHC前駆加速器
pとPb	陽子（Linac 4）および鉛（Linac 3）用の線形加速器
（マークなし）	陽子シンクロトロンブースター
追伸	陽子シンクロトロン
スペクトラム	スーパープロトンシンクロトロン

北緯46°14′8″ 東経6°3′19″ / 北緯46.23556° 東経6.05528° / 46.23556; 6.05528 ATLAS ^{[1] [2] [3]は、スイスの}CERN (欧州原子核研究機構)の粒子加速器である大型ハドロン衝突型加速器(LHC)における最大の汎用粒子検出実験です。 ^[4]この実験は、LHC で利用できる前例のないエネルギーを活用し、以前の低エネルギー加速器では観測できなかった高質量粒子を伴う現象を観測するように設計されています。ATLAS は、2012 年 7 月のヒッグス粒子の発見に関与した 2 つの LHC 実験のうちの 1 つでした。 ^{[5] [6]また、}標準モデルを超える素粒子物理学の理論の証拠を探すようにも設計されました。

この実験には6,003名のメンバーが参加する共同研究であり、そのうち3,822名は物理学者であり、42か国257の機関から参加している（最終更新日：2022年6月26日）。^{[1] [7]}

最初のサイクロトロンは初期の粒子加速器の一種で、アーネスト・O・ローレンスによって1931年に建設されました。半径はわずか数センチメートル、粒子エネルギーは1メガ電子ボルト（MeV）でした。それ以来、加速器はますます大きな質量の新しい粒子を生成するために飛躍的に成長してきました。加速器が成長するにつれて、調査に使用できる 既知の粒子のリストも増えてきました。

ATLASコラボレーションは、検出器を構築して運用するさまざまな大学や研究センターに所属する物理学者の国際グループであり、提案されたEAGLE（ガンマ線、レプトン、エネルギーの正確な測定実験）とASCOT（超伝導トロイドを備えた装置）コラボレーションが、新しい粒子加速器である大型ハドロン衝突型加速器用の単一の汎用粒子検出器を構築するためにそれぞれの取り組みを統合した1992年に結成されました。^[8]現在、ATLASコラボレーションには6,003人のメンバーが参加しており、そのうち3,822人は物理学者です（最終更新日：2022年6月26日）42か国の257の機関から。^{[1] [7]}

この設計は、LHC の以前の 2 つのプロジェクト、EAGLE と ASCOT を組み合わせたものであり、 1993 年に中断された米国のプロジェクトである超伝導超大型加速器 (Superconducting Super Collider)のために行われた検出器の研究開発からも恩恵を受けました。ATLAS 実験は 1994 年に現在の形で提案され、1995 年に CERN 加盟国によって正式に資金提供されました。その後、さらに多くの国、大学、研究所が参加しました。建設作業は個々の機関で開始され、検出器のコンポーネントが CERN に発送され、2003 年から ATLAS 実験ピットで組み立てられました。

建設は2008年に完了し、実験では同年9月10日に最初の単一陽子ビームイベントが検出されました。 ^{[9]その後、LHCの}磁石クエンチインシデント により、1年以上にわたってデータ取得が中断されました。 2009年11月23日、LHCで最初の陽子-陽子衝突が発生し、衝突の中心質量における900 GeVという比較的低い入射エネルギーで、ATLASによって記録されました。 それ以来、LHCのエネルギーは増加しており、2009年末には1.8 TeV、2010年と2011年全体では7 TeV、2012年には8 TeVでした。 2010年から2012年の間に行われた最初のデータ取得期間は、Run Iと呼ばれています。 2013年と2014年の長いシャットダウン（LS1）の後、2015年にATLASは13 TeVの衝突を観測しました。^{[10] [11] [12]} 2回目のデータ取得期間であるRun IIは、常に13 TeVのエネルギーで、2018年末に完了し、約140 fb ⁻¹（逆フェムトバーン）の積分光度が記録されました。 ^[13] 2019年から2022年にかけてATLAS検出器のアップグレードを伴う2回目の長期停止（LS2）が行われ^{[14] 、2022年7月にRun IIIが開始されました。 [15]}

ATLASコラボレーションは現在、スポークスマンのアンドレアス・ヘッカーと副スポークスマンのマルミ・カドとマヌエラ・ヴィンクターによって率いられています。^[16]過去のスポークスマンは以下のとおりです。

素粒子物理学の分野では、ATLAS は大型ハドロン衝突型加速器(LHC) での高エネルギー衝突で検出された、または検出可能なさまざまな種類のプロセスを研究しています。既知のプロセスについては、既知の粒子の特性をより正確に測定するか、標準モデルの定量的な確認を見つけることが課題です。これまで観測されていないプロセスが検出されれば、新しい粒子を発見したり、標準モデルを超える物理理論を確認したりすることができます。

素粒子物理学の標準モデルは、宇宙で知られている4つの基本的な力（電磁力、弱い相互作用、強い相互作用、重力は除外）のうち3つを説明し、すべての既知の素粒子を分類する理論です。これは、世界中の多くの科学者の研究を通じて20世紀後半を通して段階的に開発され、^{[17] 1970年代半ばに}クォークの存在が実験的に確認されたことで現在の定式化が完成しました。それ以来、トップクォーク（1995年）、タウニュートリノ（2000年）、ヒッグス粒子（2012年）の確認により、標準モデルの信頼性がさらに高まりました。さらに、標準モデルは、弱い中性カレントやWボソン、Zボソンのさまざまな特性を非常に正確に予測しました。

標準モデルは理論的には自己矛盾がないと考えられており[ ^{18] 、}実験予測を提供することに大きな成功を収めていますが、いくつかの現象は説明できず、基本的な相互作用の完全な理論には至っていません。重粒子の非対称性を完全に説明しておらず、一般相対性理論で説明される完全な重力理論^[19]を組み込んでおらず、ダークエネルギーによって説明される可能性のある宇宙の加速膨張を説明していません。このモデルには、観測宇宙論から推定される必要な特性をすべて備えた実行可能な暗黒物質粒子は含まれていません。また、ニュートリノ振動とその非ゼロ質量 も組み込まれていません。

2012年にATLASとCMS実験によって検出されたヒッグス粒子という重要な例外を除けば^{[20] 、}標準モデルによって予測されたすべての粒子は、以前の実験によって観測されていました。この分野では、ヒッグス粒子の発見に加えて、ATLASの実験的研究は、理論の多くの物理的パラメータをこれまで以上に正確に決定することを目指した精密測定に重点を置いてきました。特に、

• ヒッグス粒子;
• WボソンとZボソン;
• トップクォークとボトムクォーク

ATLAS は以下を測定します:

• 大衆;
• 生成経路、減衰および平均寿命。
• 電弱相互作用と強い相互作用の相互作用メカニズムと結合定数。

例えば、ATLASによって収集されたデータにより、2018年には弱い相互作用の2つの媒介粒子のうちの1つであるWボソンの質量[(80,370±19) MeV ]を測定不確かさ±2.4 ‰で測定することが可能になりました。

ATLASの最も重要な目標の1つは、標準モデルの欠けている部分であるヒッグス粒子を調査することであった。^{[1] [21]}ヒッグス粒子を含む ヒッグス機構は、 W粒子とZ粒子に質量を与え、光子を無質量のままにすることで、弱い力と電磁気力の違いを導きます。

2012年7月4日、ATLASは、LHCの姉妹実験であるCMSと共同で、ヒッグス粒子と一致する粒子の存在の証拠を信頼水準5シグマで報告しました^[5]。その質量は約125 GeV、つまり陽子の質量の133倍です。この新しい「ヒッグスのような」粒子は、2つの光子（ ）への崩壊と4つのレプトン（および）への崩壊によって検出されました。 ${\displaystyle H\rightarrow \gamma \gamma }$${\displaystyle H\rightarrow ZZ^{*}\rightarrow 4l}$${\displaystyle H\rightarrow WW^{*}\rightarrow e\nu \mu \nu }$

2013年3月、ATLASとCMSの最新結果を踏まえ、CERNは新粒子が確かにヒッグス粒子であると発表した。実験では、この粒子の特性と他の粒子との相互作用の仕方が、スピン0と正パリティを持つと予想されるヒッグス粒子の特性とよく一致していることも示された。この粒子のさらなる特性と2015年と2016年に収集されたデータの分析により、このことがさらに確認された。^[20]

2013年10月、標準モデルのヒッグス粒子の存在を予言した理論物理学者の2人、ピーター・ヒッグスとフランソワ・アングレールがノーベル物理学賞を受賞した。

1995年にフェルミ国立加速器研究所で発見されたトップクォークの特性は、おおよそ測定されていました。LHCははるかに高いエネルギーと高い衝突率で膨大な数のトップクォークを生成し、ATLASはトップクォークの質量や他の粒子との相互作用をより正確に測定することができます。^[22] これらの測定は、標準モデルの詳細に関する間接的な情報を提供し、新しい物理学を示唆する矛盾を明らかにする可能性があります。

標準モデルは、クォーク、レプトン、ニュートリノが存在するはずだと予測しているが、これらの粒子の質量がなぜそれほど異なるのか（桁違いに異なる）については説明していない。さらに、標準モデルによれば、ニュートリノの質量は光子と同じく正確にゼロであるはずである。しかし、ニュートリノの質量は である。1998年にスーパーカミオカンデ検出器での研究結果から、ニュートリノは1つのフレーバーから別のフレーバーへと振動できることがわかり、これはニュートリノがゼロ以外の質量を持つことを意味している。これらの理由やその他の理由から、多くの素粒子物理学者は、テラ電子ボルト（TeV）スケール以上のエネルギーでは標準モデルが破綻する可能性があると考えている。ほとんどの代替理論、超対称性（SUSY）を含む大統一理論（GUT）は、標準モデルよりも質量が大きい新しい粒子の存在を予測している。

現在提案されている理論のほとんどは、新しい高質量粒子を予測しており、その一部は ATLAS で観測できるほど軽い可能性があります。超対称性のモデルには、新しい高質量粒子が含まれます。多くの場合、これらは高エネルギークォークと安定した重い粒子に崩壊し、通常の物質と相互作用する可能性は非常に低くなります。安定した粒子は検出器から逃れ、1 つ以上の高エネルギークォークジェットと大量の「失われた」 運動量を信号として残します。カルツァ-クラインの理論のような他の仮説上の重い粒子も同様の特徴を残す可能性があります。LHC Run II の終了までに収集されたデータには、超対称粒子や予期しない粒子の証拠は示されていませんが、これらの粒子の研究は Run III 以降に収集されるデータで継続されます。

CP対称性の破れとして知られる、物質と反物質の挙動の非対称性も研究されている。^[21] BaBarやBelleなどのCP対称性の破れの測定に特化した最近の実験では、宇宙に検出可能な反物質が存在しない理由を説明するのに十分なCP対称性の破れは標準モデルでは検出されていない。新しい物理学モデルによって追加のCP対称性の破れが導入され、この問題が解明される可能性がある。これらのモデルを裏付ける証拠は、新しい粒子の生成によって直接検出されるか、B中間子とD中間子の特性の測定によって間接的に検出される可能性がある。B中間子専用のLHC実験であるLHCbは、後者に適していると思われる。^[23]

ADDモデルに基づくいくつかの仮説では、大きな余剰次元が関与しており、LHCによってマイクロブラックホールが形成される可能性があると予測している。 ^{[24]これらは}ホーキング放射によって即座に崩壊し、標準モデルのすべての粒子を同数生成し、ATLAS検出器に明確な特徴を残す。^[25]

ATLAS検出器は長さ46メートル、直径25メートル、重さ約7,000トンで、ケーブルの長さは約3,000kmです。^{[1] [2] [3]}

CERNの大型ハドロン衝突型加速器(LHC) は、円周27 km で2 本の陽子ビームを 衝突させます。各陽子は最大 6.8 TeVのエネルギーを持ち、これは、現在知られているどの粒子よりもはるかに大きな質量を持つ粒子を生成するのに十分なエネルギーです (このような粒子が存在する場合)。大型ハドロン衝突型加速器によって生成された陽子ビームが検出器の中心で相互作用すると、幅広いエネルギー範囲を持つさまざまな粒子が生成されます。

ATLAS 検出器は汎用的に設計されています。特定の物理プロセスに焦点を合わせるのではなく、ATLAS は可能な限り広範囲の信号を測定するように設計されています。これは、新しい物理プロセスや粒子がどのような形をとっても、ATLAS がそれを検出し、その特性を測定できるようにするためです。ATLAS はこれらの粒子、つまりその質量、運動量、エネルギー、寿命、電荷、核スピンを検出するように設計されています。

テバトロンや大型電子陽電子衝突型加速器などの以前の衝突型加速器での実験も、汎用的な検出を目的として設計されました。しかし、ビームエネルギーと極めて高い衝突率により、ATLAS は以前の実験よりも大幅に大規模で複雑なものとなり、大型ハドロン衝突型加速器特有の課題が生じています。

粒子ビームが衝突する相互作用点で生成されるすべての粒子を識別するために、検出器は異なるタイプの検出器で構成された層で設計されており、各検出器は特定のタイプの粒子を観測するように設計されています。検出器の各層に粒子が残すさまざまな痕跡により、効果的な粒子識別とエネルギーと運動量の正確な測定が可能になります。（検出器の各層の役割については後述します。）加速器によって生成される粒子のエネルギーが増加すると、それに接続された検出器は、高エネルギー粒子を効果的に測定して停止するために大きくする必要があります。2022年現在、ATLAS検出器は粒子衝突型加速器でこれまでに構築された中で最大の検出器です。^[26]

ATLAS検出器^{[1] [2] [3]は、LHCからの陽子ビームが衝突する}相互作用点の周囲に配置された、ますます大型化する同心円筒の列で構成されています。陽子ビームのすぐ周囲の高放射線領域で検出器の性能を維持することは、重要な技術的課題です。検出器は4つの主要なシステムに分けられます。

1. 内部検出器;
2. 熱量計;
3. ミューオンスペクトロメータ;
4. マグネットシステム。

これらはそれぞれ複数の層から構成されています。検出器は相互に補完し合っています。内側の検出器は粒子を正確に追跡し、熱量計は簡単に停止する粒子のエネルギーを測定し、ミューオン システムは透過性の高いミューオンをさらに測定します。2 つの磁石システムは、内側の検出器とミューオン スペクトロメータ内の荷電粒子を曲げ、その電荷と運動量を測定できるようにします。直接検出できない唯一の確立された安定粒子はニュートリノです。その存在は、検出された粒子間の運動量の不均衡を測定することで推測されます。これが機能するには、検出器は「密閉」されている必要があります。つまり、死角がなく、生成されたすべての非ニュートリノを検出する必要があります。

上記のすべての検出器システムの設置は2008年8月に完了しました。検出器は、最初の陽子衝突前の2008年秋から2009年秋にかけて行われた磁石の修理中に、数百万の宇宙線を収集しました。検出器は100%に近い効率で動作し、設計値に非常に近い性能特性を提供しました。^[27]

内部検出器^{[1] [2] [3] [29]は}陽子ビーム軸から数センチのところから始まり、半径1.2メートルまで伸び、ビームパイプに沿って6.2メートルの長さになります。その基本的な機能は、荷電粒子を追跡し、離散的な点で物質との相互作用を検出して、粒子の種類と運動量に関する詳細な情報を明らかにすることです。^[30] 内部検出器は3つの部分で構成されており、以下で説明します。

内部検出器全体を囲む磁場により、荷電粒子は曲がる。曲がる方向から粒子の電荷がわかり、曲率の度合いから運動量がわかる。飛跡の開始点は粒子を識別するための有用な情報をもたらす。例えば、飛跡のグループが元の陽子-陽子衝突以外の地点から発生しているように見える場合、これは粒子がボトムクォークを持つハドロンの崩壊から生じたことを示している可能性がある（ bタグを参照）。

ピクセル検出器^[31]は検出器の最も内側の部分で、4つの同心円状の層と各エンドキャップ上の3つのディスクから構成され、合計1,744個の モジュールで構成され、各モジュールのサイズは2センチメートル×6センチメートルです。検出材料は厚さ250μmのシリコンです。各モジュールには16個の読み出しチップとその他の電子部品が含まれています。読み出し可能な最小単位はピクセル（50×400マイクロメートル）で、モジュールあたり約47,000個のピクセルがあります。

微小なピクセル サイズは、相互作用点のすぐ近くで極めて正確に追跡できるように設計されています。ピクセル ディテクタには合計 9,200 万を超える読み出しチャネルがあり、これはディテクタ全体の読み出しチャネル総数の約 50% に相当します。このように大きな数を持つことで、設計とエンジニアリングにかなりの課題が生じました。もう 1 つの課題は、相互作用点に近いためピクセル ディテクタがさらされる放射線であり、かなりの放射線にさらされた後も動作を継続するには、 すべてのコンポーネントを放射線耐性に強化する必要がありました。

半導体トラッカー (SCT) は、内部検出器の中央のコンポーネントです。概念と機能はピクセル検出器に似ていますが、小さなピクセルではなく細長いストリップを使用しているため、より広い領域をカバーできます。各ストリップは 80 マイクロメートル x 12 センチメートルです。SCT は、ビームに垂直な平面で基本的な追跡を行うための内部検出器の最も重要な部分です。これは、ピクセル検出器よりもはるかに広い領域で粒子を測定し、より多くのサンプル ポイントとほぼ同等の (ただし 1 次元の) 精度を備えているためです。SCT は 4 つの二重層のシリコン ストリップで構成され、630 万の読み出しチャネルと 61 平方メートルの総面積を備えています。

内側の検出器の最も外側のコンポーネントである遷移放射線トラッカー（TRT）は、ストロートラッカーと遷移放射線検出器を組み合わせたものです。検出要素はドリフトチューブ（ストロー）で、それぞれ直径4ミリメートル、最大長さ144センチメートルです。トラック位置測定の不確実性（位置分解能）は約200マイクロメートルです。これは他の2つの検出器ほど正確ではありませんが、より大きな容積をカバーするコストを削減し、遷移放射線検出機能を備えるために必要でした。各ストローには、荷電粒子が通過するとイオン化するガスが充填されています。ストローは約-1,500 Vに保たれ、負イオンを各ストローの中央にある細いワイヤに送り、ワイヤに電流パルス（信号）を生成します。信号のあるワイヤは、「ヒット」ストローのパターンを作成し、粒子の経路を決定できるようにします。ストローの間では、屈折率が大きく異なる物質が超相対論的荷電粒子を引き起こし、一部のストローに非常に強い信号を残します。 キセノンとアルゴンのガスは、強い信号を持つストローの数を増やすために使用されます。遷移放射の量は、高度に相対論的な粒子（光速に非常に近い速度を持つ粒子）で最大であり、特定のエネルギーの粒子は軽いほど速度が速いため、非常に強い信号を多く持つ粒子の経路は、最も軽い荷電粒子、つまり電子とその反粒子である陽電子に属するものとして識別できます。TRT には合計で約 298,000 本のストローがあります。

カロリメータ^{[1] [2] [3]}は、内部検出器を囲むソレノイド磁石の外側に設置されています。その目的は、粒子からエネルギーを吸収して測定することです。基本的なカロリメータシステムには、内部電磁カロリメータと外部ハドロンカロリメータの2つがあります。^{[32]どちらも}サンプリングカロリメータ です。つまり、高密度金属でエネルギーを吸収し、結果として生じる粒子シャワーの形状を定期的にサンプリングし、この測定値から元の粒子のエネルギーを推測します。

電磁カロリメータは、荷電粒子や光子など、電磁的に相互作用する粒子からエネルギーを吸収します。吸収されるエネルギーの量と、エネルギーが付与される正確な位置の両方において、高精度です。粒子の軌道と検出器のビーム軸の間の角度（より正確には擬似ラピディティ）と、垂直面内の角度は、どちらも約 0.025 ラジアン以内で測定されます。バレル型 EM カロリメータにはアコーディオン型の電極があり、エネルギー吸収材料は鉛とステンレス鋼で、サンプリング材料として液体アルゴンが使用され、EM カロリメータを十分に冷却するために周囲に クライオスタットが必要です。

ハドロンカロリメータは、 EMカロリメータを通過する粒子からエネルギーを吸収しますが、強い力を介して相互作用します。これらの粒子は主にハドロンです。エネルギーの大きさと局在の両方において精度が低くなります（約0.1ラジアン以内のみ）。^[23] エネルギー吸収材料は鋼で、蓄積されたエネルギーをサンプリングするシンチレーションタイルが付いています。カロリメータの機能の多くは、コスト効率のために選択されています。この機器は大きく、大量の構成材料で構成されています。カロリメータの主要部分であるタイルカロリメータは、直径8メートルで、ビーム軸に沿って12メートルをカバーします。ハドロンカロリメータの遠前方セクションは、前方EMカロリメータのクライオスタット内に収容されており、液体アルゴンも使用し、銅とタングステンが吸収体として使用されます。

ミューオンスペクトロメータ[ ^{1] [2] [3]}は、3つの部分から構成される非常に大規模な追跡システムです。

1. 3 つのトロイダル磁石によって生成される磁場。
2. 放出されるミューオンの軌跡を高い空間精度で測定する 1200 個のチャンバーのセット。
3. 正確な時間分解能を備えたトリガーチャンバーのセット。

このサブ検出器の範囲は、カロリメータに近い半径 4.25 m から検出器の全半径 (11 m) までです。この巨大なサイズは、ミューオンの運動量を正確に測定するために必要です。ミューオンは、ミューオン分光計に到達する前に、まず検出器の他のすべての要素を通過します。このサブ検出器は、スタンドアロンで、100 GeV ミューオンの運動量を 3% の精度で、1 TeV ミューオンの運動量を 10% の精度で測定するように設計されています。1 つ以上のミューオンが検出されなければ、多くの興味深い物理プロセスを観察できず、ミューオンを無視するとイベント内の粒子の全エネルギーを測定できないため、このような大型の機器を組み立てるのに多大な労力を費やすことが不可欠でした。このサブ検出器は、磁場構成が異なり、空間精度が低く、容積がはるかに大きいものの、ミューオンが曲がることで運動量を測定できるという点で、内部検出器と同様に機能します。また、ミューオンを識別する機能も備えています。他の種類の粒子がカロリメータを通過してミューオン分光計に信号を残すことはほとんどないと予想されています。ミューオン分光計には約 100 万の読み出しチャンネルがあり、検出器層の総面積は 12,000 平方メートルです。

ATLAS検出器は2つの大型超伝導磁石システムを使用して荷電粒子の軌道を曲げ、その運動量を測定します。^{[1] [2] [3]この曲げは}ローレンツ力 によるもので、その係数は粒子の電荷 、速度、磁場の 強度に比例します。${\displaystyle q}$${\displaystyle v}$${\displaystyle B}$

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

LHC の陽子衝突で生成されたすべての粒子は真空中を光速に非常に近い速度で移動しているため、同じ電荷を持つすべての粒子に対するローレンツ力はほぼ同じです。 ${\displaystyle (v\simeq c)}$ ${\displaystyle q}$

${\displaystyle F\simeq q\,c\,B.}$

ローレンツ力による曲率半径は ${\displaystyle r}$

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

ここで、 は粒子の相対論的運動量です。その結果、高運動量の粒子はほとんど曲がりません ( が大きい)。一方、低運動量の粒子は大きく曲がります ( が小さい)。曲率の量は定量化でき、この値から粒子の運動量を決定することができます。 ${\displaystyle p=\gamma \,m\,v}$ ${\displaystyle r}$${\displaystyle r}$

内側のソレノイドは、内側の検出器の周囲に2テスラの磁場を生成します。^[33] この高エネルギーの磁場により、非常にエネルギーの高い粒子でも運動量を測定できるほどに曲がることができ、その方向と強度はほぼ均一であるため、非常に正確に測定を行うことができます。運動量が約400MeV未満の粒子は、非常に強く曲がるため、磁場内で繰り返しループし、測定されない可能性が高くなりますが、このエネルギーは、各陽子衝突で放出される数TeVのエネルギーと比較すると非常に小さいものです。

外側のトロイダル磁場は、8つの非常に大きな空芯超伝導バレルループと2つの小さなエンドキャップの空気トロイダル磁石によって生成され、合計24のバレルループがすべてカロリメータの外側、ミューオンシステム内にあります。^[33] この磁場は長さ26メートル、直径20メートルの領域に広がり、1.6 ギガジュールのエネルギーを蓄えます。十分な大きさのソレノイド磁石を作るには法外な費用がかかるため、磁場は均一ではありません。磁場は2〜8テスラメートルの間で変化します。

ATLAS検出器は前方領域に4つのサブ検出器を備えており、非常に小さな角度で粒子を測定することができます。^[34]

1. LUCID (LUminosity Cherenkov Integrating Detector) は、
   光度を測定するために設計された最初の検出器であり、2 つのミューオン エンドキャップ間の相互作用点から 17 m の ATLAS 洞窟内に配置されます。
2. ZDC (ゼロ度カロリメータ)
   は、ビーム軸上の中性粒子を測定するように設計されており、2 つのビームが別々のビームパイプに分割される LHC トンネル内の IP から 140 m の位置にあります。
3. AFP (Atlas Forward Proton)
   は回折イベントをタグ付けするように設計されており、204 m と 217 m に配置されています。
4. ALFA (Absolute Luminosity For ATLAS)
   は、LHC アークの曲げ磁石の直前 240 m にある陽子の弾性散乱を測定するように設計されています。

以前の粒子検出器の読み出しおよびイベント検出システムは、VMEbusやFASTBUSなどの並列共有バスに基づいていました。このようなバス アーキテクチャでは LHC 検出器のデータ要件に対応できないため、ATLAS のすべてのデータ取得システムは、高速のポイントツーポイント リンクとスイッチング ネットワークに依存しています。データの読み取りと保存に高度な電子機器を使用しても、ATLAS 検出器は、すべてを読み取ったり保存したりするには多すぎる生データを生成します。生イベントあたり約 25 MBで、検出器の中心で1 秒あたり 4000 万回のビーム交差(40 MHz ) を掛け合わせたものです。これにより、1 秒あたり合計 1ペタバイトの生データが生成されます。各イベントの空セグメント (ゼロ抑制) には物理情報が含まれていないため、イベントの平均サイズは 1.6 MBに削減され、1 秒あたり合計 64テラバイトのデータになります。^{[1] [2] [3]}

トリガーシステム^{[1] [2] [3] [35]は}、高速イベント再構成を使用して、詳細な分析のために保持する最も興味深いイベントをリアルタイムで識別します。LHCの2回目のデータ収集期間であるRun-2では、2つの異なるトリガーレベルがありました。^[36]

1. レベル 1 トリガー (L1) は、検出器サイトでカスタム ハードウェアに実装されています。イベント データを保存するか拒否するかの決定は、2.5 μs 未満で行われます。これは、カロリーメータとミューオン スペクトロメータからの粒度を下げた情報を使用し、読み取り時のイベント レートを 40  MHzから 100 kHzに 下げます。したがって、L1 拒否係数は 400 になります。
2. ソフトウェアで実装された高レベルトリガートリガー（HLT）は、約40,000個の CPUで構成されるコンピューターバッテリーを使用します。L1から毎秒100,000イベントのうちどれを保存するかを決定するために、各衝突の特定の分析が200μsで実行されます。HLTは、検出器の限定された領域、いわゆる関心領域（RoI）を使用して、追跡を含む完全な検出器粒度で再構成し、エネルギーデポジットをトラックに一致させます。HLT拒否係数は100です。このステップの後、イベントレートは100から1kHzに減少します 。毎秒約1,000イベントに相当する残りのデータは、さらなる分析のために保存されます。^[37]

ATLAS は、年間10ペタバイトを超えるデータを永久に記録します。 ^[1]永久に保存されたすべてのイベントに対して オフラインイベント再構成が実行され、検出器からの信号のパターンがジェット、光子、レプトンなどの物理オブジェクトに変換されます。イベント再構成にはグリッド コンピューティングが広く使用されており、大量の生データを物理分析に適した形式に縮小するというCPU集中型のタスクに、世界中の大学や研究所のコンピュータ ネットワークを並行して使用できます。これらのタスク用のソフトウェアは長年にわたって開発されており、データ収集が開始された後も改良が続けられています。コラボレーション内の個人やグループは、これらのオブジェクトのさらなる分析を実行し、検出された粒子のパターンから特定の物理モデルまたは仮想粒子を検索するための独自のコードを継続的に作成しています。このアクティビティでは、毎週25ペタバイトのデータの処理が必要です。 ^[1]

有名なATLAS検出器の画像にスケールとして写っている研究者は、スウェーデンのウプサラ大学の研究者、ロジャー・ルーバーである。ATLAS検出器の中央クライオスタット磁石を担当する研究者の1人であるルーバーは、写真家のマクシミリアン・ブライスがATLAS検出器の撮影を準備しているのと同時に、LHCトンネル内の磁石を検査していた。ブライスはルーバーに検出器の底に立ってATLAS検出器のスケールを説明するように頼んだ。これはマクシミリアン・ブライスによって明らかにされ、2020年にオックスフォード大学のレベッカ・スメサーストとのインタビュー中にロジャー・ルーバーによって確認された。 ^[38]

• ATLAS 技術提案。2012 年 8 月 2 日にWayback Machineにアーカイブされました。CERN: Atlas 実験。2007 年 4 月 10 日に取得
• 「ATLAS 検出器と物理性能技術設計レポート、Wayback Machineに 2003-05-16 にアーカイブ」。CERN :アトラス実験。2007-04-10 に取得
• NV Krasnikov; VA Matveev (1997 年 9 月). 「LHC の物理学」.粒子と核の物理学. 28 (5): 441– 470. arXiv : hep-ph/9703204 . Bibcode :1997PPN....28..441K. doi :10.1134/1.953049. S2CID  118907038.
• アトラス実験 モニカ・リン・ダンフォードとピーター・ジェニ、 Scholarpedia 9(10):32147. doi:10.4249/scholarpedia.32147

• CERN の公式 ATLAS 公開 Web ページ(「受賞歴のある ATLAS ムービー」は、非常に優れた概要紹介です!)
• CERN の公式 ATLAS コラボレーション Web ページ(技術およびロジスティックスに関する情報が多数掲載)
• ATLAS 洞窟ウェブカメラは 2017-07-20 にWayback Machineにアーカイブされています
• 組み立てのタイムラプスビデオ
• US/LHC ウェブサイトの ATLAS セクション
• LHCと実験に関するニューヨークタイムズの記事
• 米国エネルギー省のATLASに関する記事 2021年3月1日、Wayback Machineにアーカイブ
• 大型ハドロン衝突型加速器プロジェクトディレクターのリン・エバンス博士（CBE）が、ATLAS 実験の背後にあるエンジニアリングについて語る。Ingenia 誌、2008 年 6 月
• ATLAS コラボレーション、G Aad; et al. (2008-08-14)。「CERN 大型ハドロン衝突型加速器における ATLAS 実験」。Journal of Instrumentation。3 ( S08003 ): S08003。Bibcode : 2008JInst...3S8003A。doi :10.1088/  1748-0221 / 3/08/S08003。hdl : 2027.42/64167。S2CID 250683252。(完全な設計ドキュメント)
• ニールス・ボーア研究所のATLAS科学者によるATLASのレゴモデル
• Padilla, Antonio (Tony)。「大型ハドロン衝突型加速器の ATLAS」。60個のシンボル。ノッティンガム大学のBrady Haran氏。
• 「ATLAS、衝突に関する1000件の論文成果を祝う」ATLAS . 2021年8月3日閲覧。
• INSPIRE-HEPにおけるATLAS実験の記録