超環(huán)面儀器所需設(shè)備

電腦繪制的ATLAS探測(cè)器剖視圖展示出內(nèi)部各種設(shè)備。

μ子譜儀：

（1）受監(jiān)控漂移管

（2）薄隙室

磁鐵系統(tǒng)：

（3）端冒環(huán)狀磁鐵

（4）外筒層環(huán)狀磁鐵

內(nèi)部探測(cè)器：

（5）躍遷輻射跟蹤器

（6）半導(dǎo)體跟蹤器

（7）像素探測(cè)器

量能器：

（8）電磁量能器

（9）強(qiáng)子量能器

ATLAS探測(cè)器是由以相互作用點(diǎn)為中心的一系列同中心軸圓柱殼型設(shè)備和其兩端的圓盤型設(shè)備所組成，主要分為四個(gè)部分：“內(nèi)部探測(cè)器”（Inner Detector）、量能器、μ子譜儀和磁鐵系統(tǒng)。其中每一個(gè)部分又細(xì)分為好幾層。各個(gè)探測(cè)器的功能相互補(bǔ)充 ：內(nèi)部探測(cè)器精確地確定粒子的軌跡，量能器測(cè)量那些被截止粒子的能量，μ子系統(tǒng)則提供高度穿透性μ子的額外測(cè)量數(shù)據(jù)。磁鐵系統(tǒng)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)促使帶電粒子在移動(dòng)于內(nèi)部探測(cè)器時(shí)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，μ子譜儀可以從偏轉(zhuǎn)的曲率測(cè)得這些粒子的動(dòng)量。

中微子是唯一不能直接被探測(cè)到的已知穩(wěn)定粒子；從仔細(xì)分析被探測(cè)到的粒子的動(dòng)量不平衡現(xiàn)象，可以推斷出中微子的存在。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，探測(cè)器必須是密封探測(cè)器，并必須探測(cè)到所有除了中微子以外的粒子，避免存在有任何探測(cè)盲點(diǎn)。保持探測(cè)器在質(zhì)子束附近的高輻射區(qū)具有良好性能，這是工程學(xué)的一個(gè)極大挑戰(zhàn)。

超環(huán)面儀器內(nèi)部探測(cè)器

內(nèi)部探測(cè)器的內(nèi)圓柱面始于距離質(zhì)子束軸幾厘米的位置，而外圓柱面則向外延伸至1.2m半徑，在質(zhì)子束軸方向總長(zhǎng)度為7m。通過(guò)探測(cè)散射出的帶電粒子與在各個(gè)不同位置的材料的相互作用，可以跟蹤這些粒子的運(yùn)動(dòng)，這是內(nèi)部探測(cè)器的基本功能，所獲得的數(shù)據(jù)能夠揭示粒子的種類及其動(dòng)量方面的細(xì)節(jié)信息。由于內(nèi)部探測(cè)器沉浸于2Tesla磁場(chǎng)，移動(dòng)于其空間的帶電粒子會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其方向顯示了帶電粒子的電性，其角度則顯示了粒子的動(dòng)量大小。根據(jù)軌跡的起點(diǎn)可以給粒子身份確認(rèn)提供有用的信息。例如，假若一系列粒子軌跡的初始點(diǎn)不是質(zhì)子與質(zhì)子的碰撞點(diǎn)，這就標(biāo)志著這些粒子是源于底夸克的衰變。

內(nèi)部探測(cè)器具有三個(gè)部分，下面將予以詳細(xì)說(shuō)明。

像素探測(cè)器

像素探測(cè)器（Pixel Detector）是該探測(cè)器最里面的部分，包含了三個(gè)筒形層，在兩端的端帽（end-cap）分別有三個(gè)圓盤。對(duì)于每個(gè)粒子軌跡可以給出三個(gè)精確位置。在這些筒形層與圓盤上面，總共裝有1,744個(gè)同樣的模塊。每個(gè)模塊可以測(cè)量2cm×6cm的面積，其探測(cè)材料是由厚度為250μm的硅構(gòu)成。每個(gè)模塊包含16個(gè)用于讀出數(shù)據(jù)的芯片和其他相關(guān)電子元件。探測(cè)的最小單位是1個(gè)像素，尺寸為50μm×400μm。每個(gè)模塊含有47,268像素，專門設(shè)計(jì)用來(lái)在相互作用點(diǎn)附近精確跟蹤粒子，又有16個(gè)內(nèi)嵌的、用于讀出數(shù)據(jù)的芯片和其他相關(guān)電子元件。像素探測(cè)器總共有超過(guò)8千萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)讀出通道，是讀出通道總數(shù)的一半，如此龐大的規(guī)模在設(shè)計(jì)和工程方面造成了巨大挑戰(zhàn)。除此之外，由于像素探測(cè)器離相互作用點(diǎn)很近，會(huì)暴露于強(qiáng)烈輻射，這是另一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。該探測(cè)器的每一個(gè)元件都必須進(jìn)行強(qiáng)化，從而能夠抵抗核輻射，在接受大量輻射之后還能保持正常工作。為了降低幅射線的損害，溫度必需保持在-6°C左右。

半導(dǎo)體跟蹤器

半導(dǎo)體跟蹤器（Semiconductor Tracker, SCT）是內(nèi)部探測(cè)器的中間部分。它含有四個(gè)筒形層，在兩端的端帽分別含有九個(gè)圓盤。對(duì)于每個(gè)粒子軌跡它可以給出至少四個(gè)精確位置；筒形層總共裝有2,122個(gè)相同模塊，而圓盤總共裝有1,976個(gè)模塊，大約分為三種不同類型。

半導(dǎo)體跟蹤器的概念和功能與像素探測(cè)器相似，但是最小單位的形狀不是微小像素，而是窄長(zhǎng)細(xì)條。每個(gè)細(xì)條可以測(cè)量80μm×12.6cm的范圍，測(cè)量面積比較大，比較符合經(jīng)濟(jì)效益。每個(gè)筒形層模塊裝有兩層長(zhǎng)方形硅傳感器。每個(gè)傳感器含有768個(gè)窄長(zhǎng)細(xì)條，可以測(cè)量62mm×124mm的面積。圓盤模塊裝有兩層楔子形硅傳感器。每個(gè)傳感器含有768個(gè)高窄梯形細(xì)條，高度有6cm或12cm兩種，窄度從55μm到95μm。半導(dǎo)體跟蹤器總共具有620萬(wàn)個(gè)讀出數(shù)據(jù)通道，總測(cè)量面積達(dá)到61m。

由于半導(dǎo)體跟蹤器測(cè)量粒子的范圍比像素探測(cè)器更大，具有更多的采樣點(diǎn)，大致相等的（雖然是一維的）精確度，對(duì)于基本跟蹤散設(shè)粒子在垂直于粒子束的平面的運(yùn)動(dòng)，它是內(nèi)部探測(cè)器的最關(guān)鍵儀器。

躍遷輻射跟蹤器2005年9月，躍遷輻射跟蹤器的筒形層部分已經(jīng)在地面組裝完畢，正在利用宇宙線進(jìn)行測(cè)試。

躍遷輻射跟蹤器（Transition Radiation Tracker, TRT）是內(nèi)部探測(cè)器的最外面部分，是由麥管跟蹤器（straw tracker）和躍遷輻射探測(cè)器共同結(jié)合而成的儀器。躍遷輻射跟蹤器主要有兩個(gè)功能：第一是準(zhǔn)確地跟蹤帶電粒子。第二是正確地辨識(shí)電子。

躍遷輻射跟蹤器的探測(cè)原件是漂移管（麥管），直徑為4mm。長(zhǎng)度有144cm（筒形層部分）與37cm（端帽部分）兩種麥管。躍遷輻射跟蹤器總共擁有298,000條麥管。每個(gè)粒子軌跡會(huì)穿過(guò)平均35條麥管。軌跡位置測(cè)量的不確定度大約是200μm。雖然精確度不如前面所述的兩種探測(cè)器，但為了降低覆蓋大體積以及獲得躍遷輻射探測(cè)能力這兩種因素所帶來(lái)的高額成本，這較低的精確度是必要的犧牲。每一條麥管里都充滿了氙氣體混合物，當(dāng)帶電粒子經(jīng)過(guò)時(shí)，氣體混合物會(huì)被離子化。麥管保持著-1500V電壓，迫使陰離子朝著位于麥管中心軸的細(xì)導(dǎo)線移動(dòng)，從而產(chǎn)生電流脈沖（信號(hào)）于鍍金的細(xì)鎢導(dǎo)線。分析這些出現(xiàn)脈沖信號(hào)的導(dǎo)線所形成的圖案，就可以確定離子運(yùn)動(dòng)的軌跡。

在筒形層部分相鄰麥管之間的空間，填滿了聚丙烯纖維。在端帽部分，相鄰麥管層之間，安插了聚丙烯箔紙層。當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度接近光速的超相對(duì)論性帶電粒子通過(guò)不同折射率材料的界面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生躍遷輻射光子。這主要是發(fā)生在聚丙烯材料與空氣的界面。通常，在躍遷輻射跟蹤器里，由電子產(chǎn)生的光子會(huì)在麥管給出較高的能量（～8-10keV)，而由π介子產(chǎn)生的光子會(huì)給出較低的能量（～2keV）。因此，設(shè)定適當(dāng)?shù)哪芰块撝担ā?keV），從計(jì)算每個(gè)粒子由于躍遷輻射而給出光子能量超過(guò)閾值的次數(shù)，可以有效地辨識(shí)出這粒子是否為超相對(duì)論性電子。

超環(huán)面儀器量能器

拍攝于2005年9月，強(qiáng)子量能器的主要筒形部分，正在等待被移入環(huán)狀磁體內(nèi)。拍攝于2006年2月，強(qiáng)子量能器的延伸筒形部分，正在等待被置入。強(qiáng)子量能器延伸筒形部分的彩色圖像。

載有電流的螺線管包圍在內(nèi)部探測(cè)器的外面，而量能器又包圍在螺線管的外面。設(shè)置量能器的目的是通過(guò)吸收粒子來(lái)測(cè)量它們的能量。這里有兩種基本的量能系統(tǒng)：靠里的是“電磁量能器”，靠外的是“強(qiáng)子量能器”。二者都屬于“采樣式量能器”（sampling calorimeters）。在采樣式量能器里，吸收粒子能量產(chǎn)生粒子簇射的材料與與測(cè)量簇射能量的材料不同，并且隔開(kāi)在不同的區(qū)域。這樣，可以選擇最具指定功能的材料。例如，高密度金屬可以在有限空間吸收粒子能量產(chǎn)生大量的粒子簇射，但這物質(zhì)不適用于測(cè)量粒子簇射所具有的能量。采樣式量能器的缺點(diǎn)是，有些能量沒(méi)有被測(cè)量到，因此，必須估計(jì)整體簇射能量。

電磁量能器（electromagnetic calorimeter）從涉及電磁作用的粒子中吸收能量，這包括了帶電粒子和光子。電磁量能器在測(cè)量能量吸收和能量分布位置這兩個(gè)方面都具有很高的精確度。粒子軌道和探測(cè)器入射粒子束軸之間的角度（確切地講叫贗快度），以及其與垂直平面之間的夾角，測(cè)量的精確度都可以達(dá)到大約0.025弧度。用于吸收能量產(chǎn)生粒子簇射的材料是鉛，而采樣的材料則是液態(tài)氬。為了促使系統(tǒng)足夠冷卻，電磁量能器必須安裝在低溫恒溫器里面。

那些能夠穿透電磁量能器，但會(huì)感受到強(qiáng)作用力的粒子（大多是強(qiáng)子），強(qiáng)子量能器（hadron calorimeter）會(huì)吸收它們的能量。強(qiáng)子量能器在測(cè)量能量吸收以及能量分布位置（大約只能精確到0.1弧度）這兩個(gè)方面的精確度都稍低。用于吸收能量的材料是鋼，通過(guò)閃爍磚片來(lái)采集能量數(shù)據(jù)。量能器的許多性能都綜合考慮到成本和效率（即費(fèi)效，cost-effectiveness）。這套設(shè)備的體積很大，使用了大量的建筑材料。量能器的主要部分，即“閃爍磚片量能器”（scintillating tile calorimeter），內(nèi)半徑為2.28m，外半徑為4.25m，在粒子束軸向覆蓋距離達(dá)12m。

超環(huán)面儀器μ子譜儀

正在組裝中的μ子譜儀的銀灰色“受監(jiān)控漂移管”（monitored drift tube），其主要功能為測(cè)量軌跡徑向坐標(biāo)與動(dòng)量。

μ子譜儀（muon spectrometer）是一個(gè)體積極大的軌跡跟蹤系統(tǒng)，其筒型部分占有空間從量能器外面，半徑大約為4.25m處開(kāi)始，一直延伸到超環(huán)面儀器最外層，即半徑大約為11m處，其端帽部分最外層（受監(jiān)控漂移管）與相互作用點(diǎn)之間的距離為21m。μ子譜儀必需具備有巨大的體積，才能夠精確測(cè)量μ子的動(dòng)量，這些μ子已經(jīng)穿過(guò)了超環(huán)面儀器的其他設(shè)備。這一步驟很重要，因?yàn)檫@些μ子的探測(cè)是一系列有趣物理過(guò)程的關(guān)鍵，假設(shè)在一個(gè)事件中有些μ子被忽略，則事件的總能量將不可能被精確地測(cè)量出來(lái)。

μ子譜儀和內(nèi)部探測(cè)器的工作方式相似，可以通過(guò)被磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)的μ子軌跡來(lái)確定其動(dòng)量；不過(guò)，對(duì)于這過(guò)程，μ子譜儀所使用的磁鐵構(gòu)型有所不同，空間精確度相較更低，體積卻大得很多。

μ子譜儀也是個(gè)觸發(fā)器（trigger），能夠按照簡(jiǎn)單判據(jù)快速地決定，哪些事件比較有價(jià)值，應(yīng)該被記錄下來(lái)，哪些事件與實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)無(wú)關(guān)，應(yīng)該被忽略。μ子譜儀具有單純識(shí)別μ子的功能。μ子譜儀大約擁有1百萬(wàn)讀出通道，其各個(gè)探測(cè)器層總面積達(dá)到12,000m。

超環(huán)面儀器磁鐵系統(tǒng)

拍攝于2006年11月，正在建造中的位于外筒層的環(huán)狀磁鐵系統(tǒng)。八個(gè)不銹鋼真空容管將載有電流的超導(dǎo)線圈緊包在內(nèi)，容管的外表油漆了橘色條紋圖案。這磁鐵系統(tǒng)是由一系列正八邊形內(nèi)金屬架與外金屬架共同鞏固與支撐。

ATLAS探測(cè)器的磁鐵系統(tǒng)細(xì)分為四個(gè)部分，在里層的螺線管磁鐵、在外筒層的環(huán)狀磁鐵、在兩個(gè)端帽的環(huán)狀磁鐵。這個(gè)磁鐵系統(tǒng)的長(zhǎng)度有26米、直徑有20米，共存儲(chǔ)了1.6千兆焦耳（gigajoule）的能量。它會(huì)促使帶電粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而讓其他儀器測(cè)定它們的動(dòng)量。這運(yùn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)是由于帶電粒子受到了洛倫茲力，這個(gè)力的大小與粒子的運(yùn)動(dòng)速度成正比。由于LHC的質(zhì)子碰撞所產(chǎn)生的每個(gè)粒子都會(huì)以接近光速的速度運(yùn)動(dòng)，因此不同動(dòng)量粒子所感受到的力大小相等。根據(jù)相對(duì)論，當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)速度接近光速時(shí)，動(dòng)量和速度并不成正比；高動(dòng)量粒子會(huì)發(fā)生些微偏轉(zhuǎn)，而低動(dòng)量粒子會(huì)發(fā)生顯著偏轉(zhuǎn)，通過(guò)測(cè)量軌跡可以定量曲率，從而確定粒子的動(dòng)量。

載有電流的超導(dǎo)螺線管會(huì)在內(nèi)部探測(cè)器的相互作用點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生相當(dāng)均勻的2特斯拉軸向磁場(chǎng)，直到兩端區(qū)域才降低至0.5特斯拉軸向磁場(chǎng)。這軸向磁場(chǎng)大致與徑向距離無(wú)關(guān)。這強(qiáng)磁場(chǎng)使得即使高能量粒子也能夠發(fā)生足夠明顯的偏轉(zhuǎn)，從而可以確定它們的動(dòng)量。這強(qiáng)磁場(chǎng)接近均勻的方向和強(qiáng)度使得測(cè)量結(jié)果非常精確。大約400MeV以下的粒子會(huì)強(qiáng)烈地偏轉(zhuǎn)，它們會(huì)在磁場(chǎng)中反復(fù)回旋，這樣它們將不會(huì)被測(cè)量到。然而，這能量級(jí)別與質(zhì)子撞擊產(chǎn)生的幾TeV能量級(jí)別的粒子能量相比，卻非常小。

外筒層環(huán)狀磁鐵是由8個(gè)空心超導(dǎo)線圈組成，主要功能是為μ子系統(tǒng)產(chǎn)生大約0.5特斯拉環(huán)狀磁場(chǎng)。粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡與環(huán)狀磁場(chǎng)之間呈大約直角關(guān)系。定義磁場(chǎng)的“彎曲本領(lǐng)”為；其中，是磁場(chǎng)垂直于粒子移動(dòng)路徑的分量、是微小路徑元素、是粒子在探測(cè)區(qū)域里的路徑。那么，在探測(cè)區(qū)域里，彎曲本領(lǐng)可以保持很高數(shù)值。這對(duì)于粒子的動(dòng)量測(cè)量非常重要。

兩個(gè)端帽的環(huán)狀磁鐵也是由8個(gè)的空心磁芯超導(dǎo)線圈組成，主要功能是為μ子系統(tǒng)提供最佳彎曲本領(lǐng)的磁場(chǎng)，滿足這前提，在這區(qū)域的環(huán)狀磁場(chǎng)大約為1特斯拉。彎曲本領(lǐng)大約為1-7.5Tm（特斯拉·米）。稍加比較，螺線管磁鐵可給出大約1.5-5.5Tm的彎曲本領(lǐng)。

超環(huán)面儀器前方的探測(cè)器

ATLAS探測(cè)器的測(cè)量還會(huì)通過(guò)位于前方區(qū)域的一系列探測(cè)器補(bǔ)充。這些探測(cè)器被放置在LHC隧道中遠(yuǎn)離相互作用點(diǎn)的位置。測(cè)量極小角度彈性散射（elastic scattering）的基本思路是為了了解ATLAS相互作用點(diǎn)的絕對(duì)光度。

LHC制成希格斯玻色子的幾種不同機(jī)制的費(fèi)曼圖。

ATLAS計(jì)劃探究許多可能會(huì)在LHC的高能碰撞里被探測(cè)到的物理現(xiàn)象，其中有一些是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的證實(shí)或測(cè)量精度的加強(qiáng)，而其它可能是新物理理論的重要線索。

ATLAS最主要的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)之一是發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型的一個(gè)尚未證實(shí)的粒子——希格斯玻色子。在標(biāo)準(zhǔn)模型里，電弱對(duì)稱性破缺促使規(guī)范矢量場(chǎng)獲得質(zhì)量，但又額外生成了多余的零質(zhì)量戈德斯通玻色子。選擇適當(dāng)?shù)囊?guī)范，可以除去這零質(zhì)量戈德斯通玻色子，只存留帶質(zhì)量標(biāo)量場(chǎng)（希格斯玻色子）與帶質(zhì)量規(guī)范矢量場(chǎng)（W及Z玻色子）。這整個(gè)稱為希格斯機(jī)制的過(guò)程可以解釋為什么負(fù)責(zé)傳遞弱相互作用的W及Z玻色子具有質(zhì)量，而負(fù)責(zé)傳遞電磁相互作用的光子不具有質(zhì)量。假若實(shí)驗(yàn)證實(shí)希格斯玻色子存在，則可給予希格斯機(jī)制極大的肯定，特別是對(duì)于為什么某些基本粒子具有質(zhì)量這問(wèn)題的解釋，也可以確定標(biāo)準(zhǔn)模型基本無(wú)誤。

從希格斯玻色子的衰變產(chǎn)物的形式，可以偵測(cè)到希格斯玻色子的存在。最容易觀測(cè)到的的是2個(gè)光子、2個(gè)底夸克或4個(gè)輕子。有時(shí)，只能從這些衰變與其他額外的粒子的相聯(lián)作用，才能夠確切識(shí)別為源于希格斯玻色子。這樣的例子可以參見(jiàn)右邊的費(fèi)曼圖。

有些理論不需要希格斯玻色子的存在。這些理論稱為無(wú)希格斯模型，例如彩色模型。假若希格斯玻色子被證實(shí)不存在，則物理學(xué)者可能會(huì)改聚焦于這些理論。

將物質(zhì)與反物質(zhì)的物理行為做比較，所觀測(cè)到的不對(duì)稱性被稱作CP破壞，這題目也包括在ATLAS的研究范圍內(nèi)。關(guān)于CP破壞的實(shí)驗(yàn)，例如BaBar實(shí)驗(yàn)和Belle實(shí)驗(yàn)，還沒(méi)能夠在標(biāo)準(zhǔn)模型里搜集到足夠的CP破壞證據(jù)來(lái)解釋宇宙中缺少反物質(zhì)的原因。新的物理模型很可能會(huì)引入額外的CP破壞，從而為這個(gè)問(wèn)題帶來(lái)新線索。這些模型可以從新粒子的生成而直接被證實(shí)，或者通過(guò)測(cè)量B-介子的屬性而間接被證實(shí)。LHCb是LHC的一個(gè)子實(shí)驗(yàn)，其目標(biāo)是探究B-介子，所以比較適合后面那種間接探索的方法。

頂夸克于1995年在費(fèi)米國(guó)立加速器實(shí)驗(yàn)室被發(fā)現(xiàn)，但至今為止，對(duì)于這種粒子的屬性，只做了一些較為粗略地測(cè)量。LHC能提供更高的能量和粒子碰撞率，從而制成大量的頂夸克，使得ATLAS能夠?qū)υ摿Ｗ舆M(jìn)行更加精確的測(cè)量，并探究頂夸克與其他粒子間的相互作用。這些測(cè)量可以為標(biāo)準(zhǔn)模型的細(xì)節(jié)提供間接的信息，或許會(huì)揭露它與新物理現(xiàn)象之間的不一致。ATLAS也會(huì)對(duì)其他粒子進(jìn)行類似的精確測(cè)量。例如，ATLAS最終可能會(huì)測(cè)定W玻色子的質(zhì)量，精確度有望達(dá)到先前的兩倍。

直接尋找一種新的物理模型可能是ATLAS中最激動(dòng)人心的部分。很多研究的主題是超對(duì)稱破壞理論。此理論十分流行，因?yàn)樗锌赡芙鉀Q理論物理學(xué)中一系列問(wèn)題，在幾乎所有弦理論里都會(huì)遇到它。超對(duì)稱模型涉及新的、極大質(zhì)量的粒子。在許多情況里，這些粒子衰變成高能夸克和穩(wěn)定的高質(zhì)量粒子（這些粒子不太可能與一般物質(zhì)發(fā)生相互作用）。這些穩(wěn)定粒子會(huì)從探測(cè)器中逃逸，留下一個(gè)或多個(gè)高能夸克噴注的跡象，以及大量遺失動(dòng)量。其它一些假想的重粒子，例如卡魯扎-克萊因理論中的那些粒子，可能會(huì)留下相似的跡象，但是這些例子的發(fā)現(xiàn)肯定指出，超越標(biāo)準(zhǔn)模型之外，必定有某種不同的物理理論。

還有一個(gè)微乎其微的可能（假若宇宙具有大尺寸的額外維度）是LHC制造出微觀黑洞。它們會(huì)通過(guò)霍金輻射立即衰變，以相同的數(shù)量生成標(biāo)準(zhǔn)模型中所有的粒子，并在ATLAS探測(cè)器中留下一個(gè)無(wú)可否認(rèn)的跡象。實(shí)際而言，如果這現(xiàn)象發(fā)生，則關(guān)于希格斯玻色子以及頂夸克的研究將會(huì)從黑洞生成的這些粒子展開(kāi)。

建造中的ATLAS，圖片拍攝于2004年10月。其當(dāng)前狀態(tài)可以在CERN官方網(wǎng)站查閱。通過(guò)畫面背景中的人群，可以知道設(shè)備的尺寸。

歷史上第一臺(tái)回旋加速器是由歐內(nèi)斯特·勞倫斯于1931年研制。這臺(tái)回旋加速器的半徑只有幾厘米，只能制成大約1MeV能量的粒子。從那時(shí)起，為了制成更大能量粒子，加速器技術(shù)進(jìn)步飛速。隨著加速器的不斷升級(jí)，它們研究的已知粒子的列表也變得越來(lái)越長(zhǎng)。描述粒子相互作用最為完整的模型稱為標(biāo)準(zhǔn)模型。除了希格斯玻色子以外，其他所有標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的粒子都已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)中證實(shí)存在。

盡管標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言了夸克、電子以及中微子的存在，它并沒(méi)有解釋不同粒子間的質(zhì)量為何有如此大的差別。根據(jù)這一違反“規(guī)律”的事實(shí)，許多粒子物理學(xué)家相信標(biāo)準(zhǔn)模型在能量超過(guò)一定界限（約1 TeV）時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)模型可能會(huì)失效。假若觀測(cè)到這種超越標(biāo)準(zhǔn)模型的物理行為，物理學(xué)者希望找到一種嶄新模型，能夠復(fù)制標(biāo)準(zhǔn)模型已得到的結(jié)果，又能夠描述更高能量的粒子物理行為。大多數(shù)已經(jīng)提出的理論預(yù)言了新的高質(zhì)量粒子，其中有一些粒子的質(zhì)量較低，可以通過(guò)超環(huán)面儀器觀察。

周長(zhǎng)27公里的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)會(huì)讓兩束質(zhì)子發(fā)生對(duì)撞，每個(gè)質(zhì)子具有7 TeV的能量，這能量足以制成具有已知粒子十倍質(zhì)量的粒子（假想這樣的粒子存在）。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生的能量是最早第一臺(tái)粒子加速器的7百萬(wàn)倍，因此它是新一代粒子加速器的典型代表。

粒子加速器制成的高能量粒子必須通過(guò)粒子探測(cè)器觀察。雖然質(zhì)子撞擊時(shí)會(huì)發(fā)生有趣的現(xiàn)象，僅僅產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象是不夠的。粒子探測(cè)器必需能夠探測(cè)這些粒子，測(cè)量它們的質(zhì)量、動(dòng)量、能量、帶電量和自旋。為了辨識(shí)粒子束撞擊在相互作用點(diǎn)所制成的每一個(gè)粒子，粒子探測(cè)器通常必須設(shè)計(jì)成類似洋蔥的構(gòu)造。不同類型的探測(cè)器組成了不同的檢測(cè)層，每一種探測(cè)器都專精于檢測(cè)某特定種類的粒子。粒子在不同檢測(cè)層留下的信息可以用來(lái)確認(rèn)粒子的身份，并精確測(cè)量其能量和動(dòng)量。探測(cè)器內(nèi)每一檢測(cè)層的角色稍后會(huì)詳細(xì)研討。當(dāng)加速器產(chǎn)生的粒子的能量增加，相應(yīng)的探測(cè)器的量程必須以相當(dāng)?shù)某叨仍鲩L(zhǎng)，從而測(cè)量更高能量的粒子。截止于2008年，ATLAS是已經(jīng)建成的最大的粒子探測(cè)器。

探測(cè)器會(huì)產(chǎn)生難以梳理的海量數(shù)據(jù)，大約每事件將會(huì)產(chǎn)生25兆字節(jié)的數(shù)據(jù)，而每束交叉（beam crossing）有23個(gè)粒子事件，每秒又有40,000,000個(gè)束交叉在探測(cè)器的中央產(chǎn)生，因此總共會(huì)有23千兆字節(jié)每秒（petabyte/s）的數(shù)據(jù)產(chǎn)生。觸發(fā)系統(tǒng)利用簡(jiǎn)單信息來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別那些有趣的事件，將它們的信息保留下來(lái)以供詳細(xì)的分析?？偣灿腥齻€(gè)觸發(fā)級(jí)別，其中一個(gè)是基于探測(cè)器電子，而另外兩個(gè)主要是基于探測(cè)器附近的大型計(jì)算機(jī)集群。在第一級(jí)別的觸發(fā)，每秒有大約100,000個(gè)事件被篩選出。在第三級(jí)別的觸發(fā)中，大約幾百個(gè)事件還被保留，提供給后續(xù)分析。如此數(shù)量的數(shù)據(jù)要求向硬盤每秒寫入超過(guò)100兆字節(jié)（MB）的信息——每年則至少累積到1千萬(wàn)億字節(jié)。

所有被永久存儲(chǔ)的事件將經(jīng)歷脫機(jī)事件重構(gòu)（offline event reconstruction），將探測(cè)器得到的信號(hào)規(guī)律轉(zhuǎn)換成物理對(duì)象，例如噴注（jets）、光子和輕子。事件重構(gòu)過(guò)程將會(huì)大量應(yīng)用網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)，使得全球范圍不同大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)能夠并行處理高強(qiáng)度的中央處理器任務(wù)，大大減少適合用來(lái)進(jìn)行物理分析的原始數(shù)據(jù)的數(shù)量。進(jìn)行這些任務(wù)的軟件已經(jīng)研發(fā)了許多年，當(dāng)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始進(jìn)行以后，還將不斷更新。

參與該實(shí)驗(yàn)合作的個(gè)人和團(tuán)體可以利用他們自己輸入的程序代碼對(duì)收集到的對(duì)象數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，在被探測(cè)粒子的規(guī)律中尋找某種物理模型或者假想的粒子。基于對(duì)粒子的細(xì)節(jié)模擬和它們與探測(cè)器的相互作用，相關(guān)的研究已經(jīng)在進(jìn)行和測(cè)試。這樣的仿真模擬給物理學(xué)家提供了一個(gè)良好的靈感，讓他們預(yù)測(cè)哪些新粒子會(huì)被發(fā)現(xiàn)，以及需要多久的時(shí)間來(lái)通過(guò)足夠的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)予以確認(rèn)。

圓環(huán)面的中間平面是垂直于蝸輪軸線并包含蝸桿副連心線的平面。

中文名稱

圓環(huán)面的中間平面

英文名稱

midplane of the toroid

定　　義

圓環(huán)面的對(duì)稱平面，它包含中性圓，并與軸線相交。

應(yīng)用學(xué)科

機(jī)械工程（一級(jí)學(xué)科），傳動(dòng)（二級(jí)學(xué)科），齒輪傳動(dòng)（三級(jí)學(xué)科）

取樣槍在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，貫穿煤粉管道取樣截面的整個(gè)直徑，根據(jù)等圓環(huán)面積法。離管壁越近煤粉通過(guò)量就越大，停留的時(shí)間就越長(zhǎng)；而離管的中心越近煤粉通過(guò)量就越小，停留時(shí)間越短，管中心煤粉通過(guò)量可視為零。實(shí)踐證明煤粉取樣按等圓環(huán)面積法，所取得的樣品最具有代表性。如圖1所示 等圓環(huán)面積法