Селфи детектора ATLAS

Может ли фотокамера сделать свое собственное селфи, причем со всеми своими трехмерными внутренностями? Нет. Может ли микроскоп, в рамках сеанса «самодиагностики», рассмотреть свое собственное строение? Наверное, тоже нет. А вот современный детектор элементарных частиц на это способен! На рисунке показано строение внутренней части детектора ATLAS, самого крупного детектора Большого адронного коллайдера, — причем строение, полученное по данным самого этого детектора. Это самое настоящее селфи детектора ATLAS: регистрируя элементарные частицы, он «видит» самого себя!

Такая способность к «самосозерцанию» возникает из-за того, что элементарные частицы, сталкиваясь с атомами вещества, могут порождать новые частицы — и уже их ловит детектор. Как показано на следующем рисунке, исходные частицы рождаются в центре детектора, в той точке, где столкнулись протоны. Эти частицы разлетаются во все стороны и проходят сквозь слои детектора, оставляя в них свой след. Детектор с хорошей точностью восстанавливает их траектории, экстраполирует их назад и видит, что они более-менее сходятся в одной точке. Она называется «первичной вершиной» столкновения.

Возникновение вторичной вершины при столкновении элементарной частицы с материалом детектора

Но иногда бывает так, что, пронзая слои детектора, высокоэнергетичная частица лоб в лоб сталкивается каким-то ядром вещества детектора и порождает несколько новых частиц. Их траектории тоже восстанавливаются детектором, но только он теперь «видит», что вылетают они из другой точки — из «вторичной вершины». Чем толще слой вещества, тем чаще там будет происходить такое столкновение и тем чаще детектор будет регистрировать там вторичные вершины. На верхнем рисунке как раз показано распределение в пространстве этих вторичных вершин, восстановленных детектором ATLAS. Каждая крошечная точка — это отдельная зарегистрированная вторичная вершина, а когда их плотность становится большой, она кодируется цветом: чем он «горячее», тем больше плотность точек.

На верхнем рисунке показан вид вдоль оси детектора. А здесь это же распределение показано сбоку (а точнее, в координатах r и z при суммировании по всем азимутальным углам):

Строение внутренней части детектора ATLAS в координатах r (удаление от оси) и z (вдоль оси). Рисунок с сайта atlas.web.cern.ch

Ну а самый психоделический вариант селфи приведен здесь:

Строение внутренней части детектора ATLAS в координатах r (удаление от оси) и [/i] (угол). Рисунок с сайта atlas.web.cern.ch

Это «автопортрет» в области |[i]z| < 40 см в виде развертки по азимутальному углу и радиальному удалению. Широкая полоса внизу — это вакуумная труба, а отдельные периодические детали — это платы-«черепицы» слоев пиксельного детектора. Для сравнения ниже показана реальная фотография внешнего слоя пиксельного детектора ATLAS в процессе сборки.

Все эти «селфи» были получены детектором ATLAS еще в 2010 году, когда коллайдер только-только набирал обороты. Они базируются на статистике в миллион раз меньше той, что была накоплена во время всего сеанса Run 1 в 2010–2012 годах. Эти технические изображения нужны для того, чтобы проверить работоспособность самого детектора и надежно оценить фон, возникающий от такой «засветки» вторичных вершин. Как это ни удивительно, но полная публикация с подробным описанием этих изображений появилась в архиве е-принтов лишь на днях (A measurement of material in the ATLAS tracker using secondary hadronic interactions in 7 TeV pp collisions). Все изображения и таблицы из этой статьи собраны также на отдельной странице на сайте ATLAS.

Внешний слой пиксельного детектора ATLAS в процессе монтажа. Фото с сайта atlasexperiment.org

Это, кстати, не единственный пример самодиагностики детекторов Большого адронного коллайдера. Мы уже писали о подобном селфи детектора ALICE, но там вторичные вершины восстанавливались не по адронам, а по вершинам внутренней конверсии жестких фотонов в электрон-позитронные пары. Но картинки и там получились красивые.

Ну и наконец, надо добавить, что вторичные вершины могут, конечно, возникать не только за счет инструментальных эффектов, но и самопроизвольно. Нестабильная частица, например B-мезон, рождается в первичной вершине, отлетает на несколько миллиметров и уже там распадается на дочерние частицы. Вот за такими вторичными вершинами детекторы охотятся по-настоящему. По сути, вся B-физика — это охота за «правильными» вторичными вершинами.

Изображение с сайта atlas.web.cern.ch.

Игорь Иванов