Эксперимент ATLAS

Официальный сайт:

     http://atlas.web.cern.ch/

Цель эксперимента:

  • изучение Стандартной Модели (СМ) в новом диапазоне энергий на Большом Адронном Коллайдере (БАК) ЦЕРН;
  • обнаружение бозона Хиггса — единственной частицы СМ, оставшейся неоткрытой к началу 21 века;
  • поиск новой физики за пределами СМ путем обнаружения новых частиц и прецизионного измерения свойств известных частиц и взаимодействий.

Сотрудничество АТЛАС: 3000 ученых из 174 институтов из 38 стран, Более 1000 аспирантов.

Российские участники:

БИЯФ, ИТЭФ, ИФВЭ, МИФИ, НИИЯФ МГУ, ПИЯФ, ФИАН и ОИЯИ (международная организация)

 

ИТЭФ и создание переднего калориметра FCal

ИТЭФ участвует в эксперименте АТЛАС с самого начала этого проекта (1990 г.)

Совместно с Аризонским университетом (США), группой ИТЭФ была разработана концепция интегрированного жидкоаргонового переднего калориметра (Forward Calorimeter, FCal) с дрейфовыми трубками для регистрации струй и измерения недостающей поперечной энергии (ETmiss) в диапазоне полярных углов q от 0.8-6 градусов (3< |η|< 5, h=-ln(tan(q/2)))

  • FCal располагается в том же криостате, что и торцевой адронный калориметр на рaсстоянии менее 5 м от точки взаимодействия
  • Малый зазор жидкого аргона (от 250 до 500 m) предохраняет от накопления ионного заряда
  • Калориметр имеет одну электромагнитную секцию (поглотитель – медь) и две адронные секции (поглотитель – вольфрам). Длина – 10 ядерных длин.

Детектор строился в сотрудничестве с канадскими (Торонто, Карлтон) и американским (Аризона) университетами. В течение 1998-2002 гг. ИТЭФ изготовил 32 тысячи прецизионных вольфрамовых электродов общей массой 5.75 т.

Вольфрамовые электроды FCal-2. Сборка FCal, 2005 г.

 

                         Вклад ИТЭФ

 

  • Создание переднего калориметра АТЛАСа (НИОКР, строительство, пучковые тесты, моделирование: 1990 – 2006)

Материальный вклад ИТЭФ – 30% стоимости всего FCal

 

  • Работы с FCal (диагностика, контроль качества данных, контроль и коррекция положения FCal по реальным данным, мониторирование рабочих параметров: 2007 – настоящее время)

 

  • Эксплуатация калориметров (дежурства в сменах на пульте управления АТЛАС при наборе данных, поддержка базы данных адронного калориметра: 2008 – 2013, поддержание центральной базы данных АТЛАС: 2013 - 2015)

 

  • Участие в анализе для поиска бозона Хиггса (в составе рабочей группы Higgs WG АТЛАС: 2006 – настоящее время.)

 

  • Участие в программе модернизации установки АТЛАС

 

Поддержка компьютеров АТЛАС в ЦЕРН: 2008 – настоящее время

 

В постере «группа ИТЭФ в ATLAS»
более подробно рассказано о роли ИТЭФ в эксперименте ATLAS на LHC, дается его описание и историческая справка.

 

В результате стабильной и эффективной работы Большого адронного коллайдера в 2010 году при энергиях пучков сталкивающихся протонов по 3.5 ТэВ было накоплено число событий, позволившее продемонстрировать высокое качество данных, получаемых со всех экспериментальных установок. Однако для решения поставленных физических задач этого числа было ещё недостаточно. В 2011 году светимость LHCсущественно возросла. Это позволило накопить в 100 раз больше полезных событий, чем в 2010 году. В результате:

  • были измерены сечения основных фоновых процессов к рождению бозона Хиггса,
  • была исключена широкая область возможных масс самого бозона Хиггса,
  • появились первые свидетельства в пользу его обнаружения при массе 125 ГэВ.

В 2012 году энергия каждого из пучков коллайдера была доведена до 4 ТэВ с дальнейшим повышением светимости. На середину ноября 2012 г светимость превысила в интеграле 20 обратных фемтобарн. Как результат 4 июля 2012 г. коллаборациями ATLAS и CMS было официально объявлено об открытии частицы со свойствами бозона Хиггса и массой в районе 125 ГэВ при статистической значимости результата более 5 стандартных отклонений. Приведенная выше ссылка дает доступ к большому количеству картинок - фотографий (среди них - фотографии самого Prof. P.Higgs, который был почетным гостем ЦЕРНа в дни июльской пресентациии), событий-кандидатов, графиков. Весьма интересен и информативен официальный релиз ATLASа на русском языке, посвященный последним результатам поиска бозона Хиггса.

В настоящее время (декабрь 2013 г.) в установке ATLAS сигнал виден в каналах H→γγ, H→ZZ*→4ℓ, H→WW*→ℓνℓν с “суммарной” статистической значимостью 10 сигма, что демонстрирует следующий график.

По вертикальной оси отложена вероятность того, что наблюдаемое число случаев регистрации бозона Хиггса при разных значениях его массы (суммарно по различным каналам его распада) является случайной флуктуацией числа фоновых событий. При массе 126 ГэВ указанная вероятность составляет всего 10-23, что соответствует статистической значимости сигнала в 10 стандартных отклонений.

Измеренные свойства недавно открытого бозона таковы:

  • Масса: m(H)=125.5±0.2(stat)±0.6(sys) ГэВ
  • Сила сигнала в единицах СМ при этой массе: m=1.33±0.14(stat)±0.15(sys)
  • Спин и четность с большой вероятностью совпадают с теми, которые ожидаются в СМ: JP= 0++ .

Анализ данных 2011-2012 г. продолжается. К настоящему времени коллаборация ATLAS подготовила и направила в ведущие научные журналы мира в общей сложности около 300 работ, большая часть из которых уже опубликована.

После предстоящей в 2013-14 гг. модернизации LHCэнергии сталкивающихся протонов будут доведены до 6,5 ТэВ, что позволит поднять на более высокий уровень работы по измерению различных констант связи бозона Хиггса и поиск новых тяжелых частиц.

Более подробную информацию о детекторе, эксперименте и сотрудничестве можно получить на домашней странице ATLAS. История ATLASа также популярно описана в Википедии.

До настоящего времени детектор ATLAS работал очень успешно, как в p-p, так и в ион-ионных сеансах. Эффективность большинства подсистем, включая FCal (в котором участвует группа ИТЭФ), превышала 98%.

Событие в детекторе ATLAS с четырьмя мюонами, кинематически совместимое с гипотезой о рождении пары Z-бозонов, каждый из которых распался на пару мюонов. Такие события возможны в процессах Стандартной Модели без образования бозона Хиггса. В то же время, они являются одной из "золотых сигнатур" рождения бозона Хиггса, хотя о наличии сигнала от этой частицы можно судить только на основании статистического анализа большого числа подобных событий. На картинке показана увеличенная центральная часть детектора (кликните на ней для получения версии с более высоким разрешением). Четыре мюона выделены красным цветом (они идентифицируются мюонной системой ATLAS). Остальные треки и энерговыделение в калориметрах показаны желтым цветом.

Другие картинки событий в детекторе ATLAS. Кликните на них для выхода в галерею картинок событий в детекторе ATLAS, как реальных, так и симулированных:

 

Состав группы ИТЭФ (2017 г.)

  1. АРТАМОНОВ Андрей, к.ф.-м.н., e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., тел. +74997896653 
  2. ГОРБУНОВ Петр, к.ф.-м.н.,  e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., тел. +74997896653
  3. ЖОХОВ Анатолий,  e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., тел. +74997896445
  4. МАКАРЫЧЕВ Сергей,  e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., тел. +74997896692 
  5. ЦУКЕРМАН Илья, к.ф.-м.н., руководитель группы, e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., тел. +74997896653, +79164946706.
  6. ШАМАНОВ Виктор к.ф.-м.н.,  e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., тел. +74997896692 
  7. ШАТАЛОВ Павел,  e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., тел. +74997896445 
  8. ГАВРИЛЮК Александр, аспирант 1 года МФТИ, e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., тел. +74991236587 
  9. РАМАКОТИ Екатерина, студент 6 курса МИФИ, е-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., тел. +74991236587 
  10. ДИГУРОВ Александр, студент 4 курса МФТИ, е-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., тел. +74991236587
  11. ЕРШОВА Анна, студент 3 курса МФТИ, е-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., тел. +74991236587

ИТЭФ в физике и модернизации ATLAS

Постановка физической задачи и краткое описание работ группы ИТЭФ

Группа ИТЭФ в АТЛАСе выбрала для себя задачу поиска бозона Хиггса в механизме слияния векторных бозонов (VBF). В решении задачи важную роль играет передний калориметр, поскольку адронные струи (q), сопровождающие рождение бозона

Хиггса, летят в основном под малыми полярными углами. 

С 2006 г. вместе с рабочими группами Higgs и Jet/ETmiss ИТЭФ занимается анализом идентификации адронных струй в событиях с рождением бозона Хиггса по перспективному для поиска каналу H→WW→ℓνℓν и в фоновых событиях.

В 2006-2009 г. в составе рабочих групп Higgs и Jet/Etmiss мы изучали свойства адронных струй в рождении бозона Хиггса по перспективному каналу H→WW*→ℓνℓν. Указанные исследования были полезны также для каналов VBF H→tt, VBF H→gg и VBF H→4ℓ

В 2010-2013 г. ИТЭФ работал над анализом адронных струй в контрольной области для фона к сигналу от H→WW*→ℓνℓν от процессов типа Дрелла-Яна.

С 2013 г. группа занимается оптимизацией критериев отбора для поиска тяжелого бозона Хиггса (ТБХ) в канале H→WW→ℓνℓν. Мы изучаем кинематические распределения для лептонов и струй в смоделированных событиях сигнала и фона.

Открытие бозона Хиггса СМ (СБХ) в АТЛАСе

Результаты рабочей группы по поискам бозона Хиггса

Стандартной Модели:

  • открытие бозона Хиггса в моде H→WW*→ℓvℓv
  • подтверждение соответствия его характеристик

Стандартной Модели

  • статистическая значимость сигнала более 6

стандартных отклонений

  • сила сигнала в единицах СМ 1.16 ±0.22
  • В настоящее время продолжаются исследования

при энергии пучков 13 ТэВ

Phys. Rev. D92 (2015) 012006

 

 Исключение тяжелого H в канале H→WW→ℓνℓν

JHEP01 (2016) 032

JHEP01 (2016) 032

 

 Для главных механизмов рождения бозона Хиггса (слияния глюонов, ggF, и векторных бозонов, VBF) исключаются сечения рождения H→WW 40-1500 фб и 20-250 фб соответственно, при массе тяжёлого бозона Хиггса (ТБХ) в области 300-1500 ГэВ. Для продвижения в область больших масс необходимо повышать суммарную энергию протонов в системе центра масс до 13 -14 ТэВ. К началу 2017 г. получены предварительные результаты при энергии 13 ТэВ, основанные на статистике 2015 г. и одной трети статистики 2016 г.

ИТЭФ в модернизации АТЛАС

Передний калориметр, в создание и эксплуатацию которого значительный вклад внесла группа ИТЭФ, должен надежно работать до 2024 г. К началу 2017 г. из 3524 каналов считывания лишь 8 вышли из строя за семилетний период работы прибора. Поэтому участие группы ИТЭФ в Фазе-1 модернизации ATLAS (2019-2020 г.) до недавнего времени  сводилось к разработке матобеспечения для упомянутых задач поиска ТБХ.

  Однако, в условиях работы при сверхвысокой светимости (>5×1034 см-2с-1), которая ожидается после 2026 г. на БАК (HL-LHC), накопление пространственного ионного заряда в жидком аргоне между электродами FCal потенциально может привести к серьезным проблемам с регистрацией адронных струй. В рамках проекта LAr сотрудничества ATLAS была создана специальная рабочая группа, которая рассматривала вариант замены всех секций переднего калориметра на аналогичные (sFCal), но с гораздо меньшей шириной промежутка между электродами (в 2,5 раза).

В составе указанной рабочей группы сотрудники ИТЭФ занимались моделированием сигнала от ТБХ с массой более 1 ТэВ в механизме его рождения за счет VBF в условиях сверхвысокой светимости LHC (200 столкновений в каждом пересечении пучков протонов каждые 25 нс).  В качестве вариантов переднего калориметра рассматривались как FCal, так и sFCal с высокой гранулярностью. Для этого нами был модернизирован официальный пакет программ, разработанный группой по поискам СБХ и ТБХ для анализа данных при энергии 13 ТэВ. Оказалось, что с sFCal получается на 15% больше событий, чем с FCal. Несмотря на это, специальной комиссией ATLAS было принято решение не заменять передний калориметр. Это связано с большими рисками повреждения торцевых криостатов при вынимании / вставлении переднего калориметра. Таким образом, центр тяжести работ по FCal сейчас перемещается в сторону контроля его основных характеристик во время набора данных. Будут проводиться исследования по изучению деградации формы сигнала с FCal из-за накопления ионного заряда в которых ИТЭФ планирует принять самое активное участие. Обсуждается возможный вклад ИТЭФ в   hardware для Фазы-2 модернизации ATLAS.

    Мы также оценили, насколько может уменьшиться сигнал от ТБХ в механизме VBF при изменении перекрытия переднего калориметра к адронным струям. Оказалось, что в случае |h|<4.25 сигнал падает лишь на 10-15%, однако при полном исключении переднего калориметра мы теряем 70-80% событий от ТБХ, что недопустимо много. Таким образом, передний калориметр играет ключевую роль в задаче поиска ТБХ при его рождении в механизме слияния векторных бозонов.

 

Публикации по методике ATLAS (передний калориметр) с существенным вкладом сотрудников ИТЭФ

 

  1. Artamonov et al., NIM A362 (1995) 306
  2. Artamonov et al., NIM A370 (1996) 425
  3. Artamonov et al., JINST 2 P02002 (2008)
  4. Artamonov et al., JINST 2 P02010 (2008)
  5. Pinfold at al., , NIM A593, 324-342 (2008)
  6. Artamonov, et al., JINST 8 (2013) P05006.

 

Старые публикации ATLAS с существенным вкладом физиков ИТЭФ.

 

  • ATLAS Letter of Intent, CERN/LHCC/92-4 1992
  • ATLAS Technical Proposal, CERN/LHCC/94-43, 1994: Section "Calorimetry / Liquid ionization calorimetry / Forward Calorimeter"
  • ATLAS Liquid ARgon Calorimeter TDR, CERN/LHCC 96-41, 1996: Chapter 9 "The Forward Calorimeter"
  • ATLAS Sensitivity Prospects for Higgs Boson Production at the LHC Running at 7, 8 or 9 TeV, ATL-PHYS-PUB-2010-015, 2010
  • ATLAS Sensitivity Prospects for Higgs Boson Production at the LHC Running at 7 TeV, ATL-PHYS-PUB-2010-009, 2010
  • Prospects for Higgs Boson Searches using the H→WW* →ℓνℓν decay mode with the ATLAS Detector at 10 TeV, ATL-PHYS-PUB-2010-005, 2009
  • Further investigations of ATLAS Sensitivity to Higgs Boson Production in different assumed LHC scenarios, ATL-PHYS-PUB-2011-001, 2011
  • Higgs Boson Searches using the H→WW* →ℓνℓν decay mode with the ATLAS Detector at 7 TeV, ATL-CONF-2011-005, 2011

 Публикации после открытия бозона Хиггса с существенным вкладом ИТЭФ

 

  1. ATLAS Collaboration, Measurements of Higgs production and couplings using diboson final states with the ATLAS detector at the LHC,  Phys. Lett. B 726 (2013) 88.
  2. ATLAS Collaboration, Observation and measurement of Higgs boson decays to WW* with the ATLAS detector, Phys. Rev. D92 (2015) 012006.
  3. ATLAS Collaboration, Determination of spin and parity of the Higgs boson in the WW*→ evmv decay channel with the ATLAS, EPJC 75 (2015) 231.
  4. ATLAS Collaboration, Search for a high-mass Higgs boson decaying to a W boson pair in pp collisions at 8 TeV with the ATLAS detector, JHEP01 (2016) 032
  5. ATLAS Collaboration, Search for a high-mass Higgs boson decaying to a pair of W bosons in pp collisions at 13 TeV with the ATLAS detector, ATLAS-CONF-2016-021, April 2016.
  6. ATLAS Collaboration, Search for a high-mass Higgs boson decaying to a pair of W bosons in pp collisions at √s=13 TeV with the ATLAS detector, ATLAS-CONF-2016-074, August 2016.
  7. А.А. Артамонов и др., Результаты поиска бозона Хиггса в экспериментах ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере при энергиях 7 и 8 ТэВ, Ядерная Физика, 2016, том 79, номер 3, стр.253.

 

Выступления на конференциях

  1. И. Цукерман, доклад "Higgs discovery potential at the LHC: channels relevant for the SM Higgs Boson" на пленарной сессии ISMD08, Hamburg, сентябрь 2008 г. http://arxiv.org/pdf/1012.0694
  2. И.Цукерман, доклад "SM Higgs boson searches in the early ATLAS data" на пленарной сессии IHEPLHC10, Протвино, октябрь 2010 г. http://arxiv.org/pdf/0812.1458
  3.  И.Цукерман, доклад "Higgs results and other highlights from ATLAS experiment at LHC" на пленарной сессии FPC 2012, Stara Lesna (Slovakia), сентябрь 2012 г.
  4. Tsukerman for ATLAS Collaboration, Overview of Higgs results of ATLAS experiment at LHC, ATL-PHYS-SLIDE-2013-463 (Plenary talk at QFTHEP-2013 Int. Conference, Repino/St Petersburg, Russia, 23-30 June 2013).
  5. Tsukerman for ATLAS Collaboration, Overview of Higgs results of ATLAS experiment at LHC (Plenary talk at IMPW-2013 Int. Conference, Skolkovo/Moscow, Russia, 23-27 July 2013)
  6. Artamonov for ATLAS Collaboration, Simulation and validation of the ATLAS Tile Calorimeter at LHC, ATL-TILECAL-SLIDE-2013-186 (talk at Int. Conference on Calorimetry for High Energy Frontier, Paris, France, 22 - 25 Apr 2013)
  7. Tsukerman for the ATLAS Collaboration, Beyond the Standard Model Higgs boson searches using the ATLAS Experiment, ATL-PHYS-PROC-2014-239 (talk at ICNFP-2014 Int. Conference, Kolymbari/Crete, Greece, August 2014).
  8. Tsukerman for the ATLAS and CMS Collaborations, Two years with the Higgs boson (Plenary talk at ICSSNP2014 Int. Session-Conference, MEPhI/Moscow, Russia, November 2014), ЯФ и Инжиниринг, October 2014.
  9. А.А. Гаврилюк и др., Поиск бозона Хиггса в канале H→WW в эксперименте ATLAS на LHC, доклад на Курчатовской молодежной школе, ноябрь 2015 г., ЯФ и Инжиниринг 2015 ()
  10. Tsukerman for the ATLAS Collaboration, Review of Higgs Results from the ATLAS experiment, slides shown at New Trends 2016 Conference, Becici-Budva/Montenegro, ATL-PHYS-SLIDE-2016-823, October 2016, to be submitted to ЭЧАЯ
  11. А. Гаврилюк, Поиск тяжелого бозона Хиггса, распадающегося на пару W бозонов в pp–столкновениях при 13 ТэВ на детекторе АТЛАС (молодежная конференция ИТЭФ, ноябрь 2016 г.), готовится публикация в журнале «Ядерная физика и инжиниринг», также постерный доклад от имени АТЛАС с тем же названием на конференции ICPPA-2016 (Москва, МИФИ, октябрь 2016 г.)
  12. Е. Рамакоти, Кинематика адронных струй событий стандартного бозона Хиггса и фонов при 8 ТэВ в эксперименте АТЛАС на LHC (молодежная конференция ИТЭФ, ноябрь 2016 г.), готовится публикация в журнале «Ядерная физика и инжиниринг»