强子量能器

电脑绘制的ATLAS探测器剖视图展示出内部各种设备。

μ子谱仪：

（1）受监控漂移管

（2）薄隙室

磁铁系统：

（3）端冒环状磁铁

（4）外筒层环状磁铁

内部探测器：

（5）跃迁辐射跟踪器

（6）半导体跟踪器

（7）像素探测器

量能器：

（8）电磁量能器

（9）强子量能器

ATLAS探测器是由以相互作用点为中心的一系列同中心轴圆柱壳型设备和其两端的圆盘型设备所组成，主要分为四个部分：“内部探测器”（Inner Detector）、量能器、μ子谱仪和磁铁系统。其中每一个部分又细分为好几层。各个探测器的功能相互补充 ：内部探测器精确地确定粒子的轨迹，量能器测量那些被截止粒子的能量，μ子系统则提供高度穿透性μ子的额外测量数据。磁铁系统所产生的磁场促使带电粒子在移动于内部探测器时发生偏转，μ子谱仪可以从偏转的曲率测得这些粒子的动量。

中微子是唯一不能直接被探测到的已知稳定粒子；从仔细分析被探测到的粒子的动量不平衡现象，可以推断出中微子的存在。为了实现上述目标，探测器必须是密封探测器，并必须探测到所有除了中微子以外的粒子，避免存在有任何探测盲点。保持探测器在质子束附近的高辐射区具有良好性能，这是工程学的一个极大挑战。

超环面仪器内部探测器

内部探测器的内圆柱面始于距离质子束轴几厘米的位置，而外圆柱面则向外延伸至1.2m半径，在质子束轴方向总长度为7m。通过探测散射出的带电粒子与在各个不同位置的材料的相互作用，可以跟踪这些粒子的运动，这是内部探测器的基本功能，所获得的数据能够揭示粒子的种类及其动量方面的细节信息。由于内部探测器沉浸于2Tesla磁场，移动于其空间的带电粒子会发生偏转，其方向显示了带电粒子的电性，其角度则显示了粒子的动量大小。根据轨迹的起点可以给粒子身份确认提供有用的信息。例如，假若一系列粒子轨迹的初始点不是质子与质子的碰撞点，这就标志着这些粒子是源于底夸克的衰变。

内部探测器具有三个部分，下面将予以详细说明。

像素探测器

像素探测器（Pixel Detector）是该探测器最里面的部分，包含了三个筒形层，在两端的端帽（end-cap）分别有三个圆盘。对于每个粒子轨迹可以给出三个精确位置。在这些筒形层与圆盘上面，总共装有1,744个同样的模块。每个模块可以测量2cm×6cm的面积，其探测材料是由厚度为250μm的硅构成。每个模块包含16个用于读出数据的芯片和其他相关电子元件。探测的最小单位是1个像素，尺寸为50μm×400μm。每个模块含有47,268像素，专门设计用来在相互作用点附近精确跟踪粒子，又有16个内嵌的、用于读出数据的芯片和其他相关电子元件。像素探测器总共有超过8千万个数据读出通道，是读出通道总数的一半，如此庞大的规模在设计和工程方面造成了巨大挑战。除此之外，由于像素探测器离相互作用点很近，会暴露于强烈辐射，这是另一个巨大挑战。该探测器的每一个元件都必须进行强化，从而能够抵抗核辐射，在接受大量辐射之后还能保持正常工作。为了降低幅射线的损害，温度必需保持在-6°C左右。

半导体跟踪器

半导体跟踪器（Semiconductor Tracker, SCT）是内部探测器的中间部分。它含有四个筒形层，在两端的端帽分别含有九个圆盘。对于每个粒子轨迹它可以给出至少四个精确位置；筒形层总共装有2,122个相同模块，而圆盘总共装有1,976个模块，大约分为三种不同类型。

半导体跟踪器的概念和功能与像素探测器相似，但是最小单位的形状不是微小像素，而是窄长细条。每个细条可以测量80μm×12.6cm的范围，测量面积比较大，比较符合经济效益。每个筒形层模块装有两层长方形硅传感器。每个传感器含有768个窄长细条，可以测量62mm×124mm的面积。圆盘模块装有两层楔子形硅传感器。每个传感器含有768个高窄梯形细条，高度有6cm或12cm两种，窄度从55μm到95μm。半导体跟踪器总共具有620万个读出数据通道，总测量面积达到61m。

由于半导体跟踪器测量粒子的范围比像素探测器更大，具有更多的采样点，大致相等的（虽然是一维的）精确度，对于基本跟踪散设粒子在垂直于粒子束的平面的运动，它是内部探测器的最关键仪器。

跃迁辐射跟踪器2005年9月，跃迁辐射跟踪器的筒形层部分已经在地面组装完毕，正在利用宇宙线进行测试。

跃迁辐射跟踪器（Transition Radiation Tracker, TRT）是内部探测器的最外面部分，是由麦管跟踪器（straw tracker）和跃迁辐射探测器共同结合而成的仪器。跃迁辐射跟踪器主要有两个功能：第一是准确地跟踪带电粒子。第二是正确地辨识电子。

跃迁辐射跟踪器的探测原件是漂移管（麦管），直径为4mm。长度有144cm（筒形层部分）与37cm（端帽部分）两种麦管。跃迁辐射跟踪器总共拥有298,000条麦管。每个粒子轨迹会穿过平均35条麦管。轨迹位置测量的不确定度大约是200μm。虽然精确度不如前面所述的两种探测器，但为了降低覆盖大体积以及获得跃迁辐射探测能力这两种因素所带来的高额成本，这较低的精确度是必要的牺牲。每一条麦管里都充满了氙气体混合物，当带电粒子经过时，气体混合物会被离子化。麦管保持着-1500V电压，迫使阴离子朝着位于麦管中心轴的细导线移动，从而产生电流脉冲（信号）于镀金的细钨导线。分析这些出现脉冲信号的导线所形成的图案，就可以确定离子运动的轨迹。

在筒形层部分相邻麦管之间的空间，填满了聚丙烯纤维。在端帽部分，相邻麦管层之间，安插了聚丙烯箔纸层。当运动速度接近光速的超相对论性带电粒子通过不同折射率材料的界面时，会产生跃迁辐射光子。这主要是发生在聚丙烯材料与空气的界面。通常，在跃迁辐射跟踪器里，由电子产生的光子会在麦管给出较高的能量（～8-10keV)，而由π介子产生的光子会给出较低的能量（～2keV）。因此，设定适当的能量阈值（～6keV），从计算每个粒子由于跃迁辐射而给出光子能量超过阈值的次数，可以有效地辨识出这粒子是否为超相对论性电子。

超环面仪器量能器

拍摄于2005年9月，强子量能器的主要筒形部分，正在等待被移入环状磁体内。拍摄于2006年2月，强子量能器的延伸筒形部分，正在等待被置入。强子量能器延伸筒形部分的彩色图像。

载有电流的螺线管包围在内部探测器的外面，而量能器又包围在螺线管的外面。设置量能器的目的是通过吸收粒子来测量它们的能量。这里有两种基本的量能系统：靠里的是“电磁量能器”，靠外的是“强子量能器”。二者都属于“采样式量能器”（sampling calorimeters）。在采样式量能器里，吸收粒子能量产生粒子簇射的材料与与测量簇射能量的材料不同，并且隔开在不同的区域。这样，可以选择最具指定功能的材料。例如，高密度金属可以在有限空间吸收粒子能量产生大量的粒子簇射，但这物质不适用于测量粒子簇射所具有的能量。采样式量能器的缺点是，有些能量没有被测量到，因此，必须估计整体簇射能量。

电磁量能器（electromagnetic calorimeter）从涉及电磁作用的粒子中吸收能量，这包括了带电粒子和光子。电磁量能器在测量能量吸收和能量分布位置这两个方面都具有很高的精确度。粒子轨道和探测器入射粒子束轴之间的角度（确切地讲叫赝快度），以及其与垂直平面之间的夹角，测量的精确度都可以达到大约0.025弧度。用于吸收能量产生粒子簇射的材料是铅，而采样的材料则是液态氩。为了促使系统足够冷却，电磁量能器必须安装在低温恒温器里面。

那些能够穿透电磁量能器，但会感受到强作用力的粒子（大多是强子），强子量能器（hadron calorimeter）会吸收它们的能量。强子量能器在测量能量吸收以及能量分布位置（大约只能精确到0.1弧度）这两个方面的精确度都稍低。用于吸收能量的材料是钢，通过闪烁砖片来采集能量数据。量能器的许多性能都综合考虑到成本和效率（即费效，cost-effectiveness）。这套设备的体积很大，使用了大量的建筑材料。量能器的主要部分，即“闪烁砖片量能器”（scintillating tile calorimeter），内半径为2.28m，外半径为4.25m，在粒子束轴向覆盖距离达12m。

超环面仪器μ子谱仪

正在组装中的μ子谱仪的银灰色“受监控漂移管”（monitored drift tube），其主要功能为测量轨迹径向坐标与动量。

μ子谱仪（muon spectrometer）是一个体积极大的轨迹跟踪系统，其筒型部分占有空间从量能器外面，半径大约为4.25m处开始，一直延伸到超环面仪器最外层，即半径大约为11m处，其端帽部分最外层（受监控漂移管）与相互作用点之间的距离为21m。μ子谱仪必需具备有巨大的体积，才能够精确测量μ子的动量，这些μ子已经穿过了超环面仪器的其他设备。这一步骤很重要，因为这些μ子的探测是一系列有趣物理过程的关键，假设在一个事件中有些μ子被忽略，则事件的总能量将不可能被精确地测量出来。

μ子谱仪和内部探测器的工作方式相似，可以通过被磁场偏转的μ子轨迹来确定其动量；不过，对于这过程，μ子谱仪所使用的磁铁构型有所不同，空间精确度相较更低，体积却大得很多。

μ子谱仪也是个触发器（trigger），能够按照简单判据快速地决定，哪些事件比较有价值，应该被记录下来，哪些事件与实验目标无关，应该被忽略。μ子谱仪具有单纯识别μ子的功能。μ子谱仪大约拥有1百万读出通道，其各个探测器层总面积达到12,000m。

超环面仪器磁铁系统

拍摄于2006年11月，正在建造中的位于外筒层的环状磁铁系统。八个不锈钢真空容管将载有电流的超导线圈紧包在内，容管的外表油漆了橘色条纹图案。这磁铁系统是由一系列正八边形内金属架与外金属架共同巩固与支撑。

ATLAS探测器的磁铁系统细分为四个部分，在里层的螺线管磁铁、在外筒层的环状磁铁、在两个端帽的环状磁铁。这个磁铁系统的长度有26米、直径有20米，共存储了1.6千兆焦耳（gigajoule）的能量。它会促使带电粒子发生偏转，从而让其他仪器测定它们的动量。这运动偏转是由于带电粒子受到了洛伦兹力，这个力的大小与粒子的运动速度成正比。由于LHC的质子碰撞所产生的每个粒子都会以接近光速的速度运动，因此不同动量粒子所感受到的力大小相等。根据相对论，当粒子运动速度接近光速时，动量和速度并不成正比；高动量粒子会发生些微偏转，而低动量粒子会发生显著偏转，通过测量轨迹可以定量曲率，从而确定粒子的动量。

载有电流的超导螺线管会在内部探测器的相互作用点区域产生相当均匀的2特斯拉轴向磁场，直到两端区域才降低至0.5特斯拉轴向磁场。这轴向磁场大致与径向距离无关。这强磁场使得即使高能量粒子也能够发生足够明显的偏转，从而可以确定它们的动量。这强磁场接近均匀的方向和强度使得测量结果非常精确。大约400MeV以下的粒子会强烈地偏转，它们会在磁场中反复回旋，这样它们将不会被测量到。然而，这能量级别与质子撞击产生的几TeV能量级别的粒子能量相比，却非常小。

外筒层环状磁铁是由8个空心超导线圈组成，主要功能是为μ子系统产生大约0.5特斯拉环状磁场。粒子的运动轨迹与环状磁场之间呈大约直角关系。定义磁场的“弯曲本领”为；其中，是磁场垂直于粒子移动路径的分量、是微小路径元素、是粒子在探测区域里的路径。那么，在探测区域里，弯曲本领可以保持很高数值。这对于粒子的动量测量非常重要。

两个端帽的环状磁铁也是由8个的空心磁芯超导线圈组成，主要功能是为μ子系统提供最佳弯曲本领的磁场，满足这前提，在这区域的环状磁场大约为1特斯拉。弯曲本领大约为1-7.5Tm（特斯拉·米）。稍加比较，螺线管磁铁可给出大约1.5-5.5Tm的弯曲本领。

超环面仪器前方的探测器

ATLAS探测器的测量还会通过位于前方区域的一系列探测器补充。这些探测器被放置在LHC隧道中远离相互作用点的位置。测量极小角度弹性散射（elastic scattering）的基本思路是为了了解ATLAS相互作用点的绝对光度。

记录、分析粒子在其中产生的电脉冲信息，在高能实验中常见的有多丝室、漂移室、闪烁计数器、契伦科夫计数器、穿越辐射计数器、电磁量能器和强子量能器等。

多丝室和漂移室

多丝室内有许多电位丝和信号丝，充入气体，工作原理与正比计数管相似，可以给出粒子的位置、dE/dx等信息,有较好的位置分辨力。漂移室采用测量电子漂移到信号丝的时间来定位的方法，因而大大减少了丝和电子学线路的数目，并提高了位置分辨力（可达数十微米）。漂移室根据结构和性能特点分为多丝漂移室、均匀电场漂移室和可调电场漂移室三类。新出现的喷注室和时间投影室，在高能粒子物理实验中也有较大的作用。新型的多步雪崩室、时间扩展室和自猝灭流光室等，也受到了很大的注意。

闪烁计数器

常用的是塑料闪烁计数器和液体闪烁计数器。其特点是易于制成大面积，对带电粒子探测效率接近百分之百，允许计数率高，时间分辨率很好，便于测量飞行时间。大面积塑料闪烁计数器的时间分辨力已达到0.2纳秒。

契伦科夫计数器

带电粒子在透明介质中运动，当其速度超过光在该介质中的传输速度时，就会产生微弱的可见光──契伦科夫辐射光。它的辐射角与粒子速度有关，因而提供了一种测量带电粒子速度的方法。工作介质可以是固体、液体或气体。它按结构和工作方式可分为阈式、微分式和光学校正式三类。后两种有较高的速度分辨本领。契伦科夫计数器常用于鉴别动量相同而质量各异的粒子。

穿越辐射计数器

高速带电粒子穿过两种介质的界面会产生穿越辐射，其辐射能量与粒子能量成正比。在粒子速度极高，十分接近光速时，用飞行时间和契伦科夫计数器都无法通过分辨速度来鉴别粒子，而穿越辐射计数器提供了鉴别该能区高能粒子的新方法。

电磁量能器

高能电子或γ光子在介质中会产生电磁簇射，其次级粒子总能量损失与入射粒子总能量成正比。因此，一旦收集到总能量损失即可确定粒子的总能量。电磁量能器分为全吸收型如碘化钠（铊）、锗酸铋、铅玻璃等和取样型两种。后者由取样计数器与铅板交迭而成。取样计数器可以是液氩电离室、塑料闪烁计数器和多丝室。

强子量能器

高能强子在介质中会产生强子簇射。收集到总电离电荷即可确定强子总能量，通常采用闪烁计数器或多丝室与铁（铀）板交迭而成。