超环面仪器

超环面仪器的长度为44m，直径为25m，总重量为7000ton，内部连接的电线长达3000km。大约有来自38个国家174个学术机构的3000位科学家和工程师共同参与这实验计划。最初15年，团队领导为彼得·坚倪，从2009年至2013年，法比奥拉·吉亚诺提是第二任领导人，从2013年开始，团队领导为大卫·查尔顿。2012年7月4日，CERN宣布，紧凑渺子线圈（CMS）探测到质量为125.3±0.6GeV的新玻色子（超过背景期望值4.9个标准差），超环面仪器测量到质量为126.5GeV的新玻色子（5个标准差），这两种粒子极像希格斯玻色子。后来确认就是希格斯玻色子。

历史

1992年，先前提出的EAGLE（Experiment for Accurate Gamma, Lepton and Energy Measurements，精确光子轻子能量测量实验）计划与ASCOT（Apparatus with Super COnducting Toroids，超导环场仪器）计划合并为ATLAS实验计划，意图为大型强子对撞机建造一个多用途粒子探测器。此探测器还整合了早先为超导超大型加速器所做的探测器研发成果。ATLAS实验的最终计划于1994年提出，并在1996年由CERN的参与国家正式提供资金。很多大学与国家型实验室也在之后几年陆续加入。至今，仍有许多研究机构与物理学者新参与此计划。探测器组件是由各个研究机构分别研发制造，于2003年，这些组件开始被运送至CERN的ATLAS实验所在地进行组装。

2008年ATLAS实验设施安装完毕。同年9月10日，ATLAS实验第一次探测到粒子束事件。9天后，在暖机过程时，发生磁体失超事件，使得收集数据的工作延迟了1年多。修理耗费了几个月时间，电路缺陷探测系统与快速失超控制系统的功能也被大幅度提升。2009年11月20日，LHC重新注入粒子束。23日，LHC的两道粒子束同时沿着圆形轨道循环，ATLAS探测器首先收集到质子质子碰撞数据，能量为450 GeV每粒子束。之后，ATLAS探测器持续不断的收集数据。在这期间，LHC能量也不停增加，到2009年底，已达1,180 GeV每粒子束，整个2010年与2011年，能量为3,500 GeV每粒子束，2012年，又提升到4,000 GeV每粒子束。之后关闭了两年，在2015年，更提升到6,500 GeV每粒子束。

2019年7月31日，大型强子对撞机的超环面仪器实验团队宣布找到光子与光子散射的确切证据，超过背景期望值8.2 个标准差。

背景

历史上第一台回旋加速器是由欧内斯特·劳伦斯于1931年研制。这台回旋加速器的半径只有几厘米，只能制成大约1MeV能量的粒子。从那时起，为了制成更大能量粒子，加速器技术进步飞速。随着加速器的不断升级，它们研究的已知粒子的列表也变得越来越长。目前描述粒子相互作用最为完整的模型称为标准模型。所有标准模型预测的粒子都已经从实验中证实存在。

尽管标准模型预言了夸克、电子以及中微子的存在，它并没有解释不同粒子间的质量为何有如此大的差别。根据这一违反“规律”的事实，许多粒子物理学家相信标准模型在能量超过一定界限（约1 TeV）时，标准模型可能会失效。假若观测到这种超越标准模型的物理行为，物理学者希望找到一种崭新模型，能够克隆标准模型已得到的结果，又能够描述更高能量的粒子物理行为。目前大多数已经提出的理论预言了新的高质量粒子，其中有一些粒子的质量较低，可以通过超环面仪器观察。

超环面仪器是个多用途粒子探测器。当大型强子对撞机制成的质子束在探测器的中心点进行散射实验时，很多各种各样具有不同能量的粒子会被生成。超环面仪器并不专注于某特定物理过程，它的设计目标是广泛地探测各种可能发生的信号。这样可以保证，不论新物理过程或任何新粒子的形式为何，超环面仪器都都够探测到它们的出现，并且测量出它们的物理性质。在此之前的对撞机实验，例如美国费米实验室的兆电子伏特加速器以及LHC的前身──大型电子正子对撞机，都是基于相同的设计理念。但是大型强子对撞机所面对的独特挑战──前所未有的高能量以及极高的对撞频率──要求超环面仪器比先前所建成的探测器更为庞大与复杂。

周长27公里的大型强子对撞机会让两束质子发生对撞，每个质子具有7 TeV的能量，这能量足以制成具有目前已知粒子十倍质量的粒子（假想这样的粒子存在）。大型强子对撞机产生的能量是最早第一台粒子加速器的7百万倍，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须通过粒子探测器观察。虽然质子撞击时会发生有趣的现象，仅仅产生这样的现象是不够的。粒子探测器必需能够探测这些粒子，测量它们的质量、动量、能量、带电量和自旋。为了辨识粒子束撞击在相互作用点所制成的每一个粒子，粒子探测器通常必须设计成类似洋葱的构造。不同类型的探测器组成了不同的检测层，每一种探测器都专精于检测某特定种类的粒子。粒子在不同检测层留下的信息可以用来确认粒子的身份，并精确测量其能量和动量。探测器内每一检测层的角色稍后会详细研讨。

物理计划

ATLAS计划探究许多可能会在LHC的高能碰撞里被探测到的物理现象，其中有一些是对标准模型的证实或测量精度的加强，而其它可能是新物理理论的重要线索。

ATLAS最主要的实验目标之一是发现标准模型的一个之前尚未证实的粒子——希格斯玻色子。在标准模型里，电弱对称性破缺促使规范矢量场获得质量，但又额外生成了多余的零质量戈德斯通玻色子。选择适当的规范，可以除去这零质量戈德斯通玻色子，只存留带质量标量场（希格斯玻色子）与带质量规范矢量场（W及Z玻色子）。这整个称为希格斯机制的过程可以解释为什么负责传递弱相互作用的W及Z玻色子具有质量，而负责传递电磁相互作用的光子不具有质量。由于实验证实希格斯玻色子存在，希格斯机制获得极大的肯定，特别是对于为什么某些基本粒子具有质量这问题的解释，也可以确定标准模型基本无误。

从希格斯玻色子的衰变产物的形式，可以探测到希格斯玻色子的存在。最容易观测到的的是2个光子、2个底夸克或4个轻子。有时，只能从这些衰变与其他额外的粒子的相联作用，才能够确切识别为源于希格斯玻色子。这样的例子可以参见右边的费曼图。

有些理论不需要希格斯玻色子的存在。这些理论称为无希格斯模型，例如彩色模型。

将物质与反物质的物理行为做比较，所观测到的不对称性被称作CP破坏，这题目也包括在ATLAS的研究范围内。目前关于CP破坏的实验，例如BaBar实验和Belle实验，还没能够在标准模型里搜集到足够的CP破坏证据来解释宇宙中缺少反物质的原因。新的物理模型很可能会引入额外的CP破坏，从而为这个问题带来新线索。这些模型可以从新粒子的生成而直接被证实，或者通过测量B-介子的属性而间接被证实。LHCb是LHC的一个子实验，其目标是探究B-介子，所以比较适合后面那种间接探索的方法。

顶夸克于1995年在费米国立加速器实验室被发现，但至今为止，对于这种粒子的属性，只做了一些较为粗略地测量。LHC能提供更高的能量和粒子碰撞率，从而制成大量的顶夸克，使得ATLAS能够对该粒子进行更加精确的测量，并探究顶夸克与其他粒子间的相互作用。这些测量可以为标准模型的细节提供间接的信息，或许会揭露它与新物理现象之间的不一致。ATLAS也会对其他粒子进行类似的精确测量。例如，ATLAS最终可能会测定W玻色子的质量，精确度有望达到先前的两倍。

设备

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、量能器、μ子探测器和磁铁系统。其中每一个部分又细分为好几层。各个探测器的功能相辅相成：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。

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。

数据处理分析系统

探测器会产生难以梳理的海量数据，大约每事件将会产生25兆字节的数据，而每束交叉（beam crossing）有23个粒子事件，每秒又有40,000,000个束交叉在探测器的中央产生，因此总共会有23千兆字节每秒（petabyte/s）的数据产生。触发系统利用简单信息来进行实时识别那些有趣的事件，将它们的信息保留下来以供详细的分析。总共有三个触发级别，其中一个是基于探测器电子，而另外两个主要是基于探测器附近的大型计算机集群。在第一级别的触发，每秒有大约100,000个事件被筛选出。在第三级别的触发中，大约几百个事件还被保留，提供给后续分析。如此数量的数据要求向硬盘每秒写入超过100兆字节（MB）的信息——每年则至少累积到1千万亿字节。

所有被永久存储的事件将经历脱机事件重构（offline event reconstruction），将探测器得到的信号规律转换成物理对象，例如喷注（jets）、光子和轻子。事件重构过程将会大量应用网格计算技术，使得全球范围不同大学和实验室的计算机网络能够并行处理高强度的中央处理器任务，大大减少适合用来进行物理分析的原始数据的数量。进行这些任务的软件已经研发了许多年，当实验开始进行以后，还将不断更新。

参与该实验合作的个人和团体可以利用他们自己输入的程序代码对收集到的对象数据进行深入分析，在被探测粒子的规律中寻找某种物理模型或者假想的粒子。基于对粒子的细节模拟和它们与探测器的相互作用，相关的研究已经在进行和测试。这样的仿真模拟给物理学家提供了一个良好的灵感，让他们预测哪些新粒子会被发现，以及需要多久的时间来通过足够的统计数据予以确认。