ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS, Egy Toroidális LHC Apparátus) a CERN-beli nagy hadronütköztető gyűrű (LHC) nevű részecskegyorsító öt épülő részecskedetektorának egyike. 45 méter hosszú és 25 méter átmérőjű hengeres detektor, 7000 tonnát nyom, amely nagyjából az Eiffel-torony tömege.
A projekt 2500 tudóst és mérnököt foglalkoztat a világ 37 országának 169 intézetéből. A berendezés 2008-ban lett kész. A kísérletek várhatóan olyan jelenségeket fognak mérni, amelyekben olyan nagy tömegű részecskék vesznek részt, amelyeket nem lehetett mérni a korábbi alacsonyabb energiájú gyorsítókkal, és olyan új elméletekhez adhat támpontot, melyek túlmutatnak a részecskefizika standard modelljén.
Története és céljai Az ATLAS-együttműködés, a detektort építő fizikusok csoportja, 1992-ben jött létre, amikor a javasolt EAGLE (Experiment for Accurate Gamma, Lepton and Energy Measurements) és ASCOT (Apparatus with Super COnducting Toroids) együttműködés egyesítette erőit, hogy egyetlen, általános célú részecskedetektort tervezzenek a nagy hadronütköztető-gyűrű számára. Az új terv a két korábbi terv ötvözete lett, és felhasználták azt a detektorkutatást és fejlesztést, amit a Superconducting Supercolliderhez létrehoztak. Az ATLAS-kísérletet jelenlegi formájában 1994-ben javasolták, és hivatalosan 1995-ben alapították meg. További országok, egyetemek és laboratóriumok csatlakoztak a következő években, és további intézetek és fizikusok csatlakoznak az együttműködéshez ma is. Az elkészítése az egyes intézetekben kezdődött, a detektoralkatrészeket a CERN-be szállították, és 2003-tól kezdődően szerelik fel az ATLAS kísérleti állványára.
bélyegkép|400px|jobbra|Az ATLAS 2005 novemberében. A középső kerek lyuknál találkoznak a protonok. A vastag fényszínű csövek a barna szalagokkal tartalmazzák a mágnest
Az ATLAS-t általános célú detektornak tervezték. Amikor az LHC által létrehozott protonnyaláb protonjai ütköznek a detektor középpontjában, akkor sok különféle részecske jön létre, melyek energiája széles tartományt ölel fel. Ahelyett, hogy az egyes fizikai folyamatokra koncentrálnának, az ATLAS a lehető legtöbb jelet rögzíti. Ez várhatóan biztosítja, hogyha valamilyen újfajta folyamat vagy részecske jelenik meg, akkor az ATLAS képes lesz észlelni, és megmérni az adatait. A korábbi gyorsítóknál – mint amilyen a Tevatron és a LEP – a kísérleteket hasonló filozófiával tervezték. Mégis az LHC egyedülálló kihívása – a rendkívüli energiája és óriási ütközésszáma – szükségessé teszi, hogy az ATLAS-detektor nagyobb és összetettebb legyen a valaha épült összes eddiginél.
Háttér bélyegkép|400px|Az ATLAS-kísérlet detektora 2004 októberében készítés közben a kísérleti padon; a mindenkori készültségi állapot itt látható. A háttérben levő emberek mutatják a méretarányt
A ciklotron a részecskegyorsítók egyik legkorábban kifejlesztett típusa volt, a legelsőt Ernest O. Lawrence építette 1931-ben, átmérője nagyjából tíz centiméter volt, és nagyjából 1MeV-es energiára gyorsított. Azóta a gyorsítók rendkívüli mértékben megnövekedtek, hogy egyre nagyobb és nagyobb tömegű részecskéket hozhassanak létre. Ahogy a gyorsítók növekedtek, úgy az ismert részecskék száma is, amit vizsgálni kellene. A részecskék kölcsönhatásainak legszélesebb körű modellje jelenleg az úgynevezett standard modell; a Higgs-bozon kivételével a modell összes részecskéjét felfedezték, de a standard modell elromlik a jelenleg vizsgált energiákon (TeV-en) túl. Várhatóan egy standard modellen túli fizika írja le a részecskefizikát nagyobb energiákon, mely a standard modellel egyenértékű a már vizsgált energiákon. A legtöbb ilyen elmélet új, nagy tömegű részecskéket feltételez. A nagy hadronütköztető-gyűrű (LHC) 27 km kerületű alagútja két protonnyalábot fog ütköztetni olyan energián, mely hétmilliószor nagyobb az első gyorsítóénál; ha léteznek, akkor képes lesz olyan részecskék tömeges előállítására, melyek tömege tízszer nagyobb a ma ismert legnehezebb részecskéknél.
A gyorsítókban előállított részecskéket nem elég előállítani, meg is kell figyelni, ami a részecskedetektorok feladata. Az 1970-es évektől kezdődően a detektorokat hagymaszerűen tervezik, teljesen körülvéve a kölcsönhatás helyét – ahol a gyorsítóból jövő részecskenyalábok ütköznek – különböző típusú detektorrétegekkel. A különböző nyomok, amelyet a részecskék az egyes rétegekben hagynak, lehetővé teszi a hatékony részecskeazonosítást, és az energiájuknak és a lendületüknek pontos mérését. Az egyes detektorrétegek szerepét lejjebb tárgyaljuk majd. Ahogy a gyorsító által létrehozott részecskék energiája növekszik, a hozzá csatlakozó detektoroknak is növekedniük kell, hogy képesek legyenek mérni és megállítani a nagyobb energiájú részecskéket. Ezért az ATLAS a legnagyobb detektor, amelyet valaha is építettek, és képes megmérni az olyan óriási tömegű részecskék tulajdonságait, amelyeket az LHC létrehoz.
Fizikai program bélyegkép|300px|Egy ábra (úgynevezett Feynman-gráf) arról, hogyan hat kölcsön két – a LHC protonütközéséből származó – virtuális gluon a feltételezett Higgs-bozont t (top)-kvarkot és anti-t-kvarkot hozva létre. Ezek ezután a kvarkok és leptonok sajátos kombinációjára bomlanak tovább, amelyeket igen nehezen jöhetnek létre más folyamatokban. Ehhez hasonló elegendő bizonyítékok összegyűjtése remélhetőleg lehetővé teszi majd az ATLAS-együttműködésnek, hogy felfedezzék a Higgs-bozont
Az ATLAS-t arra szánták, hogy különböző típusú fizikákat vizsgáljon meg az LHC ütközéseiben elérhetővé váló energiákon. Ezek közül néhány megerősítése vagy továbbfejlesztése a standard modellnek, míg mások új fizikai elméletek utáni kutatások.
Az ATLAS egyik legfontosabb feladata a standard modell utolsó hiányzó részecskéjének, a Higgs-bozonnak a vizsgálata. A Higgs-mechanizmus, amelyben a Higgs-bozon szerepel, ad tömeget az elemi részecskéknek; ez teszi különbözővé a gyenge és az elektromágneses kölcsönhatást, tömeget adva a W- és Z-bozonoknak, míg a fotont tömegtelenül hagyja. Ha a Higgs-bozont nem fedezi fel az ATLAS, akkor azt feltételezik, hogy az elektrogyenge szimmetriasértés egy másik formáját fogják felfedezni, amely ugyanazt a jelenséget magyarázza. A standard modell egyszerűen matematikailag nem következetes az LHC nagy energiáin enélkül a mechanizmus nélkül. A Higgs-bozont a belőle létrejövő részecskék segítségével lehet észlelni: a legegyszerűbb észlelni azokat a folyamatokat, amikor két fotonra, két b (bottom)-kvarkra vagy négy leptonra bomlik. Néha csak akkor lehet ezeket a bomlásokat egyértelműen a Higgs-bozonnak tulajdonítani, ha ezek más részecskékkel együtt jönnek létre (példa a jobb oldali diagram).
Az anyag és az antianyag viselkedése közötti aszimmetriát, amely CP-sértésként ismert, szintén vizsgálja a kísérlet. A jelenlegi CP-sértési kísérletek, mint a BaBar és a Belle még nem tudtak számot adni elegendő CP-sértésről a standard modellben, amely elegendő lenne a világegyetemben megfigyelhető antianyag hiányára. Lehetséges, hogy a fizika új modelljei további CP-sértést szolgáltatnak, fényt vetve erre a problémára. Ezeket a modelleket vagy új részecskék megfigyelésével igazolhatjuk meg közvetlen módon, vagy a B-mezon tulajdonságainak mérésével közvetve. (Az LHCb, az LHC B-mezonok vizsgálatára szánt detektora jobban illik ez utóbbi a feladathoz.)
A t (top)-kvarkot 1995-ben a Fermilabnál fedezték fel, és eddig a tulajdonságait csak nagyjából sikerült megmérni. Az LHC nagyobb energiáján, és nagyobb ütközési gyakoriságánál, rendkívül sok t-kvark keletkezik majd, lehetővé téve, hogy az ATLAS sokkal pontosabban mérje a tömegét és a kölcsönhatásait más részecskékkel. Ezek a mérések közvetett információkkal szolgálnak a standard modell részleteiről, talán olyan következetlenségekre derít fényt, amely egy új fizika irányába mutat. Hasonló pontos méréseket fognak végezni más ismert részecskéken is; például a W-bozon tömegét várhatóan kétszer olyan pontosan tudja majd megmérni az ATLAS, mint ahogy eddig sikerült.
Talán a legizgalmasabb kutatási terület a fizika új modelljeinek közvetlen keresése. Sok jelenleg is folyó kutatás tárgya a szuperszimmetria sérülése. Azért olyan divatos az elmélet, mert egy sor elméleti fizikai problémát oldana meg és a húrelmélet majdnem minden modelljében létezik. A szuperszimmetrikus modell új, nagy tömegű részecskéket jósol; az esetek döntő többségében ezek olyan nagyenergiájú kvarkokra és stabil nehéz részecskékre bomlanak, amelyek igen kis valószínűséggel hatnak kölcsön a közönséges anyaggal. A stabil részecskék elszökhetnek a detektorból, egy vagy több nagyenergiájú kvarkdzsetet hagyva hátra és nagy adag „hiányzó” lendületet. Más feltételezett nagy tömegű részecskék, mint amilyeneket a Kaluza–Klein-elmélet jósol, hasonló jelet hagyhat hátra, de ezek felfedezése mindenképpen arra mutatna, hogy van valamilyen standard modellen túli fizika.
Egy távoli lehetőség (ha a Világegyetemnek extra dimenziói vannak), hogy mikroszkopikus fekete lyukak jöhetnek létre az LHC-ben. Ezek azonnal elbomlanánk a Hawking-sugárzás következtében, mindenféle standard modellbeli részecskét egyenlő számban hozva létre kétségtelen jelet hozva létre az ATLAS-detektorban. Ebben az esetben a Higgs-bozonok és t-kvarkok eredeti tanulmányozása helyett a fekete lyukból származóakat lehetne vizsgálni.
Detektorrétegek Az ATLAS-detektor egy sor egyre nagyobb koncentrikus hengerfelületből áll a protonok ütközési pontja körül. (Felépítése hasonló a másik LHC-kísérlethez, a CMS-hez, annak ábrái segíthetnek a megértésben.) Ezek négy nagyobb részre oszthatóak: a belső detektorra, a kaloriméterekre, a müon-spektrométerre és a mágnesrendszerre. Mindegyik több rétegből áll. Az egyes detektorrétegek egymást kiegészítik: a belső detektor a részecskék nyomvonalát méri pontosan, a kaloriméterek a megállított részecskék energiáját, a müonrendszer további méréseket végez a nagy áthatolóképességű müonokkal kapcsolatban. A két mágnesrendszer meghajlítja a töltött részecskék pályáját a belső detektorban és a müonspektrométerben, lehetővé téve a lendület mérését.
Az egyetlen stabil részecske, melyet nem lehet közvetlenül észlelni a neutrínó, a jelenlétükre csak a hiányzó lendületből következtethetünk. Emiatt a detektornak „hermetikusnak” kell lennie, és minden keletkezett nem-neutrínó részecskét észlelnie, nem lehet vakfoltja. A detektorok teljesítményének fenntartása a protonnyalábokat körülvevő erős sugárzásnak kitett területeken jelentős mérnöki kihívás.
Belső detektor bélyegkép|Az ATLAS TRT középső része, a belső detektor legkülső rétege még a felszínen összeállítva a kozmikus sugárzás adatait méri 2005 szeptemberében
A belső detektor (Inner Detector) a protonnyaláb tengelyétől pár centiméterre kezdődik és 1,2 méteres sugárig tart. Alapvető funkciója a töltött részecskék pályájának rögzítése azáltal, hogy az anyaggal való kölcsönhatását megfigyeli, ezáltal részletes információkat szolgáltat a részecske típusára és lendületére. A mágneses mező teszi lehetővé a töltés előjelének megállapítását azáltal, hogy merre térül el a részecske, és lendület mérését, ugyanis a pálya görbületéből meghatározható. A nyom kezdőpontja fontos a részecske azonosításához, például ha a részecske máshonnan látszik jönni mint az ütközési pont, akkor ez annak a jele lehet, hogy a részecske a nagyon rövid élettartamú b-kvark bomlásából keletkezett. A belső detektor három részből áll, amelyeket alább részletezünk.