Детекторы.

На БАК будут работать 4 основных и 2 вспомогательных детектора:

• ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
• ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus)
• CMS (Compact Muon Solenoid)
• LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
• TOTEM (Total Elastic and diffractive cross section Measurement)
• LHCf (The Large Hadron Collider forward)

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb - большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf - вспомогательные, находятся на удалении в несколько десятков метров от точек пересечения пучков, занимаемых детекторами CMS и ATLAS соответственно, и будут использоваться попутно с основными.

Детекторы ATLAS и CMS - детекторы общего назначения, предназначены для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в частности тёмной материи, ALICE - для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца, LHCb - для исследования физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией, TOTEM - предназначен для изучения рассеяния частиц на малые углы, таких что происходит при близких пролётах без столкновений (так называемые несталкивающиеся частицы, forward particles), что позволит точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера, и, наконец, LHCf - для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц. С работой БАК связан также седьмой, совсем незначительный в плане бюджета и сложности, детектор (эксперимент) MoEDAL, предназначенный для поиска медленно движущихся тяжелых частиц.

Во время работы коллайдера столкновения планируется проводить одновременно во всех четырёх точках пересечения пучков, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны или ядра). При этом все детекторы одновременно набирают статистику.

Детектор ALICE.

Детектор ALICE - это крупный детектор, построенный, в целом, по классической схеме детектора, но оптимизированный для изучения столкновений тяжелых ядер. Его размеры составляют 26 метров в длину и 16 на 16 метров в поперечной плоскости; полная масса детектора - 10 тысяч тонн.

Столкновения тяжелых ядер имеют свою специфику. Во-первых, столкновения точно лоб в лоб происходят редко. Гораздо чаще случается нецентральное столкновение, при котором ядра как бы «задевают плечом» друг друга. Ядра при этом разделяются на две части: столкнувшиеся нуклоны остаются в центре, порождая на короткое время кварк-глюонную плазму, а не столкнувшиеся - просто пролетают мимо. Поэтому в каждом конкретном столкновении температура и плотность кварк-глюонной плазмы получаются разными.

Во-вторых, картина разлета кварк-глюонной плазмы очень непохожа на результат столкновения двух протонов. При расширении и остывании кварк-глюонной плазмы образуется очень много (десятки тысяч) частиц, но их энергии при этом получаются умеренно большими - порядка десятков ГэВ. Столкновения, в которых рождались бы очень высокоэнергетические частицы (с энергией порядка ТэВ), намного менее вероятны, чем при столкновении протонов.

Наконец, при изучении столкновения ядер возрастает роль хорошей идентификации частиц. Частицы, игравшие не очень заметную роль в столкновении протонов, теперь выходят на первый план, поскольку они позволяют заглянуть в самый центр кварк-глюонной плазмы.

Поскольку ядра далеко не всегда сталкиваются лоб в лоб, условия образования кварк-глюонной плазмы раз от разу меняются. Поэтому, в идеале, про каждое столкновение ядер требуется узнать, в какой степени оно было центральным, то есть сколько конкретно нуклонов при этом столкнулось.

Для выяснения этого в ALICE имеются специальные детекторы - ZDC (Zero Degree Calorimeters). Это адронные калориметры, которые установлены рядом с ускорительным кольцом на расстоянии 115 метров в обе стороны от основного детектора. Эти детекторы регистрируют протоны и нейтроны, вылетевшие в направлении прямо вперед, то есть под нулевым углом к оси столкновений. По измеренной суммарной энергии с этих детекторов можно вычислить, сколько нуклонов пролетело мимо, а значит, узнать, сколько нуклонов участвовало в столкновении.

Калориметры для ZDC выполнены по технологии «спагетти-калориметров». В них толстый блок вещества-поглотителя (вольфрам для нейтронов и латунь для протонов) пронизан многочисленными тонкими прозрачными кварцевыми волокнами, ориентированными примерно вдоль направления прилета частиц. Когда внутри калориметра развивается адронный ливень, то, проходя через кварц, частицы испускают черенковское излучение, которое бежит вдоль волокна и регистрируется на торце. По полной яркости собранного света можно восстановить суммарную энергию частиц, попавших в детектор.

Еще один компонент детектора, который будет играть важную роль при изучении ядерных столкновений, - это FMD (Forward Multiplicity Detector). Главной его задачей будет измерение количества частиц, вылетающих под небольшими углами к оси столкновения (от 0,75° до 21°, что отвечает области по быстроте от 1,7 до 5,1). Угловое распределение эти частиц и флуктуации их числа несут информацию о свойствах кварк-глюонной плазмы. Детектор FMD - это трековый детектор, состоящий из нескольких слоев полупроводниковых полосковых детекторов.

Мюонный детектор в ALICE тоже имеет особенное строение. Он называется димюонным спектрометром и оптимизирован для детектирования близких μ+μ–-пар. Такие пары получаются при распаде так называемых «кваркониев» - тяжелых мезонов, состоящих из c- или b-кварка и его же антикварка. Кварконии удобны тем, что они могут вылетать из самых глубин кварк-глюонной плазмы, а значит, могут рассказать о свойствах ядерного вещества при максимальных доступных на БАК давлениях и температурах.

Детектор ATLAS.

Общее устройство детектора ATLAS следует классической схеме многоцелевого детектора в коллайдерных экспериментах. Он состоит из компактного внутреннего детектора, в котором отслеживаются траектории частиц, за ним следуют калориметры, измеряющие их энергию, а снаружи расположены мюонные детекторы.

Самая впечатляющая характеристика ATLAS - это его размер. Даже по современным меркам это огромный детектор. Его длина составляет 43 метра, а диаметр - 22 метра. Впрочем, благодаря достаточно ажурной конструкции, полный вес детектора не столь велик, как у CMS, - всего 7 тысяч тонн.

Внутренняя часть ATLAS содержит несколько слоев детекторов для идентификации частиц и точного измерения их траекторий.

Ближе всего к трубе расположен пиксельный детектор. Он состоит из трех цилиндрических слоев и нескольких торцевых пластинок. Все они покрыты почти двумя тысячами отдельных чувствительных матриц по 46 тысяч пикселов на каждой, причем каждая матрица оснащена своей считывающей электроникой. Всего детектор насчитывает 80 млн пикселов, расположенных на общей площади 1,7 м2; размер каждого пиксела — около 50 на 400 микрон, а пространственное разрешение 14 на 115 микрон. Полное энергопотребление пиксельного детектора составляет 15 кВт. Вся эта электроника должна будет несколько лет проработать в условиях жесткой радиации.

Следующим идет восьмислойный полупроводниковый трековый детектор, который тоже восстанавливает траектории частиц на расстояниях вплоть до полуметра от оси столкновения. Общая площадь чувствительных элементов составляет 60 м2. В дополнение к нему имеются и торцевые трековые детекторы, которые покрывают область по быстроте вплоть до 2,5. Благодаря тому, что магнитное поле искривляет траекторию частиц, с помощью трекового детектора можно с хорошей точностью восстановить их импульс.

Наконец, третий компонент внутреннего детектора ATLAS - трековый детектор переходного излучения. Этот детектор состоит из нескольких сотен тысяч длинных тонких полых трубок, называемых «соломинками». Каждая соломинка имеет диаметр 4 мм и длину больше метра; она заполнена газовой смесью (ксенон, углекислый газ, кислород) и содержит внутри тончайшую покрытую золотом вольфрамовую нить - анод. Внутренняя поверхность соломинки покрыта проводящим слоем, который служит катодом; напряжение между катодом и анодом составляет несколько киловольт. От каждой соломинки идет электронный канал считывания (всего их 420 тысяч), точность восстановления координаты вдоль соломинки составляет 0,17 мм.

Электромагнитный (внутренний) калориметр детектора ATLAS представляет собой «гармошку», сложенную из многочисленных тонких гофрированных пластин металла-поглотителя. В зазорах между ними находится жидкий аргон при температуре около 90 К, который служит чувствительным материалом. Пролетающая сквозь калориметр заряженная частица порождает в нём электромагнитный ливень, который ионизирует аргон, и эта ионизация тут же, в зазоре, собирается датчиками. Внешний, адронный калориметр состоит из нескольких десятков клиньев, более 5 метров длиной и весом 20 тонн каждый. Каждый клин имеет мозаичную структуру - в нём пластинки поглотителя чередуются с пластинками органический сцинтиллятора. Адронный ливень, порожденный пролетающим адроном, вызывает свечение сцинтиллятора, которое регистрируется фотоумножителями и превращается в электрический сигнал.

Мюоны детектируются в мюонном спектрометре, который использует газовые мюонные трубки - они похожи на соломинки детектора переходного излучения, только гораздо большего диаметра. Вся конструкция из мюонных трубок имеет впечатляющие размеры: радиус цилиндрических слоев - 5, 7,5 и 10 м, а торцевые диски разнесены на расстояние вплоть до 21,5 м от центра детектора. При этом для обеспечения высокой точности измерения траекторий мюонов необходимо знать положение мюонных трубок в пространстве с погрешностью не более 30 микрон, что в миллион раз меньше самих размеров мюонной системы.

В детекторе ATLAS имеется три типа магнитов, создающих магнитное поле для искривления траектории частиц и измерения их импульса.

Все они сверхпроводящие и работают при криогенных температурах.  Внутренний детектор помещен в относительно небольшой центральный соленоид - полый цилиндр длиной 5 м и диаметром 2,4 м; толщина его стенок составляет всего 4,5 см. В нём течет ток силой 7,7 кА, который создает внутри магнитное поле индукцией 2 Тл.

Магнитное поле, в котором искривляется траектория мюонов, обеспечивается ажурной конструкцией из восьми наружных сверхпроводящих тороидальных магнитов. В обмотке каждого из них течет ток 20 кА, который создает в пространстве магнитное поле неоднородной силы со средней индукцией около 0,5 Тл. Каждый из магнитов имеет 25 м в длину, а внешний диаметр всей структуры достигает 20 м. Похожая магнитная структура чуть меньшего размера установлена также на торцах детектора для отклонения мюонов, вылетающих под малыми углами к оси пучков.

Детектор CMS.

Название CMS расшифровывается как «Компактный мюонный соленоид» На первый взгляд, слово «компактный» здесь может показаться неуместным - ведь длина детектора составляет 20 м, а диаметр - 15 м. На самом деле это слово подчеркивает, что этот детектор заметно компактнее сестринского эксперимента ATLAS (длина 43 м, диаметр 22 м), хотя не уступает ему по исследовательским возможностям. Этого удалось добиться благодаря очень сильному магниту, из-за которого детектор CMS оказался чрезвычайно тяжелым - 15 тысяч тонн против 7 тысяч тонн детектора ATLAS.

Ключевым элементом детектора CMS является тяжелый сверхпроводящий магнит. По своей конструкции он напоминает привычный электромагнит с сердечником, только «вывернутый наизнанку». Вместо внутреннего железного сердечника у него есть внешнее железное, которое не дает линиям магнитного поля расходиться в пространстве, а как бы удерживает их внутри металла. Благодаря такой конструкции единый электромагнит создает сильное магнитное поле как внутри, так и снаружи цилиндра. Внутри цилиндра помещаются трековые детекторы и калориметры, а наружное поле используется для отклонения мюонов. В результате, когда мюон вылетает из центра детектора и пролетает через центральную область и область возвратного поля, он отклоняется сначала в одну сторону, а потом в другую, вычерчивая характерный профиль, похожий на букву «S». Этот профиль, причем для мюонов разных энергий, присутствует на эмблеме CMS.

Магнит CMS - самый крупный из когда-либо созданных сверхпроводящих электромагнитов. Он создает магнитное поле 4 Тл внутри цилиндра диаметром 6 м и длиной 12,5 м. Полная энергия, запасенная в таком электромагните, составляет 2,6 ГДж - достаточно, чтобы расплавить десяток тонн металла. Сильное магнитное поле, действующее на сами обмотки электромагнита, порождает также и огромные механические напряжения. Достаточно сказать, что при запитке магнита он деформируется на 0,15%. Неудивительно, что ток запускается в обмотки магнита очень медленно и осторожно. Дополнительную сложность этому процессу придает необходимость поддерживать электромагнит при температуре жидкого гелия.

Ярмо магнита с массой около 10 тысяч тонн - самый тяжелый компонент детектора CMS. Оно содержит в два раза больше железа, чем Эйфелева башня. Механическая поддержка ярма сама по себе является нетривиальной инженерной задачей.

Трековые детекторы в детекторе CMS следуют классической схеме. Ближе всего к вакуумной трубе расположен пиксельный детектор. Три цилиндрических слоя имеют радиусы 4, 7 и 11 см и содержат все вместе 65 миллионов отдельных пикселов, каждый размером 100 на 150 микрон.

На больших расстояниях от оси пучка, вплоть до радиуса 130 см, расположены десять слоев кремниевого полоскового детектора. Он содержит свыше 15 тысяч отдельных модулей разного дизайна, насчитывающих вместе 10 миллионов чувствительных полосок, информация с которых считывается 80 тысячами каналов сбора данных. Для оптимизации работы полосковый детектор поддерживается при температуре –20°C.

Детектор CMS и так тяжелый, поэтому система сбора данных с центрального детектора спроектирована так, чтобы весить как можно меньше. После обработки полученных сигналов front-end электроникой (то есть электроникой, крепящейся непосредственно к торцам детектирующих модулей) данные переводятся в последовательность вспышек инфракрасного лазера и выводятся из детектора по 40 тысячам оптоволоконных каналов.

В соответствие со стандартной практикой, в детекторе CMS установлено два типа калориметров: внутренний (электромагнитный) — для измерения энергий электронов и фотонов, и внешний (адронный) — для измерения энергий адронов.

Электромагнитный калориметр CMS сделан на основе тяжелых сцинтилляционных кристаллов вольфрамата свинца, плотность которых больше, чем у стали. Преимущество этого материала по сравнению с другими сцинтилляторами состоит в том, что электроны и фотоны порождают в нём очень короткие ливни с хорошо известными свойствами. Это значит, что измерение энергий частиц будет происходить с высокой точностью и на малых расстояниях, что очень важно для компактного детектора CMS. Слабая сторона этого сцинтиллятора — высокая чувствительность к температуре, поэтому все сто тонн калориметра приходится держать при постоянной температуре, с отклонениями не более десятой доли градуса. Учитывая, что соседние детекторные компоненты (трековый детектор, соленоид и т. д.) требуют для работы свои специальные температурные режимы, задача охлаждения отдельных компонентов тоже становится нетривиальной.

Адронный калориметр должен породить и поглотить адронные ливни, которые по своей природе более протяженные, чем электромагнитные. Поэтому вместить адронный калориметр внутрь относительно компактного соленоида оказалось непростой задачей. На самом деле, несколько слоев адронного калориметра пришлось даже разместить снаружи соленоида для того, чтобы убедиться, что адронный ливень полностью поглотился веществом и нет утечки ливня наружу.

Адронный калориметр собран из 36 отдельных «клиньев», каждый весом 26 тонн, плюс еще 36 клиньев чуть меньшего размера установлены на торцах детектора. Каждый клин представляет собой слойку, состоящую из чередующихся слоев плотного материала-поглотителя и слоев органического сцинтиллятора. Свет, выделившийся в каждом слое сцинтиллятора, выводится наружу по оптоволокну, причем свет от отдельных слоев просто складывается. Этот свет на выходе превращается в электрический сигнал с помощью гибридных фотодиодов, которые были разработаны специально для работы в сильных магнитных полях.

В дополнение к ним имеется специальный адронный калориметр, установленный в направлении «вперед» вблизи оси пучка (форвард-калориметр). Поскольку в протон-протонных столкновениях адроны вылетают преимущественно под небольшими углами к оси пучка, именно в форвард-калориметре выделяется основная доля всей энергии адронов. Для того чтобы выдержать столь сильную радиацию, в форвард-калориметре используются иные материалы, чем в остальных секциях адронного калориметра.

Мюонные камеры расположены снаружи соленоида, причем они чередуются со слоями железного ярма, по которому «возвращается» магнитное поле. На детекторе CMS используются мюонные детекторы трех типов: дрейфовые трубки, катодные полосковые камеры и камеры с резистивными пластинками. Часть этих камер предназначена для определения координат и времен пролетевших мюонов, а другая часть используется для быстрого мюонного триггера, который должен в режиме реального времени решить, представляет ли это событие что-то интересное с точки зрения мюонов.

Детектор LHCb.

LHCb - крупный детектор, оптимизированный для изучения B-мезонов, то есть частиц, содержащих b-кварк (так называемый «прелестный» кварк). В отличие от крупнейших детекторов ATLAS и CMS, которые со всех сторон окружают место столкновения протонов (то есть обладают высокой «герметичностью»), детектор LHCb имеет вид конуса, на острие которого происходят столкновения встречных пучков. Он может отслеживать лишь те частицы, которые вылетают под небольшим углом (не более 15 градусов) к оси пучка. В остальном детектор не уступает своим «старшим» собратьям: его длина составляет 21 метр, а масса - 5600 тонн.

Детектор LHCb многослойный, и последовательность слоев у него в целом стандартная. Однако из-за того, что перед ним поставлена вполне конкретная задача (изучение B-мезонов), отдельные компоненты детектора оптимизированы для ее решения. Горизонтально через весь детектор проходит вакуумная труба. Столкновения протонов происходят в самой левой части рисунка. Частицы, вылетевшие направо под небольшим углом, проходят последовательно через вершинный детектор VELO, первый черенковский счетчик RICH-1, отклоняются в магнитном поле большого магнита, проходят через последовательность трековых детекторов, затем через второй черенковский счетчик RICH-2. За ним стоят электромагнитный и адронный калориметры, и, наконец, последним слоем идут мюонные камеры.

Ближе всего к месту столкновения протонов расположен вершинный детектор, называемый VELO (от англ. «VErtex LOcator»). Он имеет совершенно особый дизайн, напоминающий нечто среднее между обычными вершинными детекторами, как на детекторе ATLAS и CMS, и детекторами Roman Pots. Он состоит из нескольких слоев полупроводниковых пиксельных детекторов, изготовленных в форме полукруга и установленных на двух подвижных кронштейнах. Сами кронштейны расположены не снаружи вакуумной трубы, а внутри нее; пиксельные детекторы при этом ставятся не параллельно, а перпендикулярно пучку. Когда пучок нестабильный, кронштейны раздвинуты, чтобы пучок не прожег детекторы насквозь, а когда пучок стабилизирован, они придвигаются к оси пучка на расстояние 5 мм. Благодаря такой близости к месту столкновения протонов детектор может восстановить положение вершины с точностью 10 микрон.

За вершинным детектором следует специальный детектор, предназначенный для идентификации частиц. Хорошая идентификация частиц чрезвычайно важна для эксперимента LHCb, поскольку позволяет надежно восстанавливать сложные цепочки распада B-мезонов.

Идентификация частиц в детекторе LHCb осуществляется двумя черенковскими детекторами RICH (от англ. «Ring Imaging CHerenkov Detector»), один из которых стоит сразу после VELO, а второй чуть дальше, после магнита и трекового детектора. В детекторе RICH заряженная частица летит сквозь камеру, заполненную прозрачным веществом, и порождает вспышку света в направлении, которое зависит от скорости частицы. Этот свет отражается с помощью системы зеркал и попадает на матрицу чувствительных элементов; по положению световой вспышки на этой матрице можно вычислить скорость частицы.

Черенковский детектор, более близкий к вершине, заполнен газом C4F10 и кварцевым аэрогелем — твердым, но чрезвычайно легким (всего в пару раз тяжелее воздуха!) веществом, который называют часто «твердым дымом». Имея коэффициент преломления в районе 1,01–1,10, аэрогель позволяет хорошо измерять скорости в диапазоне 0,95–0,99 от скорости света, то есть хорошо идентифицировать частицы с небольшой энергией, порядка нескольких ГэВ. Газы имеют коэффициент преломления порядка 1,001, что удобно для измерения скорости частиц средних энергий и высоких энергий, от нескольких десятков до сотен ГэВ.

Эксперимент TOTEM.

Эксперимент TOTEM проводится не на одном детекторе, а на нескольких детекторных модулях небольшого размера, установленных в разных частях ускорителя. Аппаратура этого эксперимента состоит из:

ü     пары трековых детекторов, называемых «телескопами» и расположенных близко к вакуумной трубе по бокам детектора CMS,

ü     нескольких модулей детекторов Roman pots, расположенных на удалении 147 и 220 м по обе стороны от центра детектора CMS.

Аппаратура эксперимента TOTEM технически объединена с аппаратурой детектора CMS, но тем не менее это независимый эксперимент. На первом этапе он будет работать в самостоятельном режиме, а затем - вместе с детектором CMS.

В названии эксперимента TOTEM включены слова “total” (полный) и “elastic” (упругий), поскольку главной его задачей будет измерение полного сечения столкновения двух протонов и сечения их упругого рассеяния на малые углы (упругим называется процесс столкновения частиц, при котором они просто отклоняются на небольшой угол, но не разрушаются и не порождают новых частиц). Кроме того, TOTEM, уже вместе с детектором CMS, будет изучать неупруго-дифракционное рассеяние протонов - то есть такой процесс, при котором один или оба протона от удара «разваливаются» на несколько адронов, но в целом продолжают лететь вперед.

Одновременно с этим эксперимент TOTEM измерит также и светимость столкновений в детекторе CMS. Напомним, что светимость - это инструментальная характеристика коллайдера, характеризующая, насколько часто протоны сталкиваются друг с другом. Светимость - это соотношение между частотой тех или иных событий (которая детектируется в эксперименте) и сечением процесса (которое вычисляют теоретики). Поэтому чем точнее известна светимость, тем надежнее можно сравнивать теорию с экспериментом. Ожидается, что на ранних стадиях работы коллайдера эксперимент TOTEM измерит светимость с точностью 5%, а затем, после изучения погрешностей и проведения специального сеанса работы, точность можно будет улучшить до 1%.

Необходимо подчеркнуть, что поставленные перед экспериментом TOTEM задачи очень специфичны и даже отчасти вступают в противоречие с остальной программой исследований на БАК. Подавляющее большинство задач, стоящих перед БАК, связаны с изучением очень редких процессов. Именно поэтому физики-ускорительщики прикладывают все усилия, чтобы увеличить светимость коллайдера. TOTEM же будет измерять процессы с очень большим сечением, которые происходят на много порядков чаще. Настолько часто, что при нормальной работе БАК они начнут накладываться друг на друга, так что их уже нельзя будет толком изучить. Поэтому измерить их можно только при низкой светимости коллайдера. Кроме того, отклонения протонов на очень малые углы можно заметить только тогда, когда угловое расхождение самого пучка после столкновения невелико, то есть когда пучки не слишком сильно фокусируются перед столкновениями.

В результате, все эти задачи можно будет решать только в особом режиме работы Большого адронного коллайдера, когда сталкивающиеся сгустки протонов специально разрежены и дефокусированы. Ясно, что сеансы работы в таком режиме будут короткими, чтобы не отнимать драгоценное «столкновительное время» у детектора CMS.

Стоит также объяснить, каким образом этот детектор будет измерять полное сечение. По определению, полное сечение рассеяния описывает вероятность столкновения двух протонов и превращения их во что угодно, в любой разрешенный законами сохранения набор частиц. Причем частицы эти могут разлетаться в произвольных направлениях, а не только вперед. Зарегистрировать эти частицы такой небольшой детектор, как TOTEM, разумеется, не сможет.

Однако в квантовой механике то же самое полное сечение абсолютно однозначно связано с вероятностью упругого рассеяния строго вперед. Эта связь называется оптической теоремой; она не опирается ни на какие теории устройства элементарных частиц, а выражает только тот элементарный факт, что вероятность двух протонов превратиться хоть во что-нибудь равна 100%. Эксперимент TOTEM сможет измерить амплитуду упругого рассеяния (за счет сильного взаимодействия) на нулевой угол и извлечь отсюда полное сечение рассеяния двух протонов.

Эксперимент LHCf.

Эксперимент LHCf будет проводиться на нескольких маленьких детекторах. Они установлены в туннеле БАК на расстоянии 140 м от центра детектора ATLAS, по обеим сторонам от него. Этот детектор будет регистрировать высокоэнергетические нейтральные частицы, фотоны, нейтроны и нейтральные пи-мезоны, рождающиеся в столкновениях и вылетающие практически вдоль оси пучков (буква f в названии эксперимента «намекает» на слово “forward” — вперед). Отделить эти частицы от основного пучка можно благодаря их электрической нейтральности. Протонный пучок, испытавший столкновение в центре детектора ATLAS, уже будет отклонен магнитом-разделителем пучков и пройдет мимо LHCf. Нейтральные же частицы, на траекторию которых магнитное поле не влияет, будут лететь по прямой и попадут в детектор:

Детектор LHCf состоит из двух калориметров с поперечными размерами 2 на 2 см и 4 на 4 см, слегка различающихся дизайном. На торцах калориметра будет располагаться также полупроводниковый детектор, который будет измерять координаты частиц в поперечной плоскости с точностью в десятые доли миллиметра. Ожидается, что энергия будет измеряться с точностью несколько процентов для фотонов и несколько десятков процентов - для нейтронов.

Эксперимент LHCf будет очень краткосрочным. Количество вылетающих вперед частиц будет очень велико, так что требуемое количество данных будет накоплено уже за неделю работы на светимости 1029 см–2·сек–1. После этого начнется быстрая деградация пластиковых сцинтилляторов от жесткой радиации, и как только светимость повысится до 1030 см–2·сек–1, детектор будет демонтирован.

Этот эксперимент относится не к самой физике элементарных частиц, а, скорее, к астрофизике. Его цель - улучшить понимание космических лучей высоких энергий. В эксперименте будет измерено, сколько нейтральных частиц и с какими энергиями рождается в направлении вперед в столкновениях протонов. Эти данные позволят проверить теоретические модели, описывающие столкновения протонов из космических лучей сверхвысоких энергий с атмосферой и развитие широких атмосферных ливней. Поскольку на БАК протоны сталкиваются лоб в лоб, а частицы космических лучей налетают на практически неподвижные ядра, то эксперимент LHCf сможет проверить модели космических лучей вплоть до энергии 1017 эВ.

Эксперимент MoEDAL.

Эксперимент MoEDAL - это маленький «эксперимент-спутник», расположенный в том же зале, в котором установлен детектор LHCb. Этот эксперимент будет пытаться зарегистрировать  магнитные монополи и другие долгоживущие частицы с аномально высокой ионизирующей способностью.

Обычные заряженные частицы, в изобилии рождающиеся на БАК, при пролете сквозь вещество теряют в нём некоторую долю энергии. Эта энергия тратится на разрушение вещества вдоль траектории частицы - так возникает ионизационный след частицы. Сила ионизации, а значит и контрастность ионизационного следа, зависит от типа частицы и от ее скорости. Эта сила становится аномально большой при пролете следующих частиц сквозь вещество:

ü   Магнитные монополи или дионы - гипотетические частицы, несущие магнитный заряд. Если они существуют, то, по законам электродинамики, они будут исключительно сильно воздействовать на электроны вещества.

ü   (Почти) стабильные частицы с большим электрическим зарядом (во много раз больше заряда электрона), которые предсказываются в некоторых теоретических моделях.

ü   Частицы с обычным электрическим зарядом, но «медленные», то есть движущиеся со скоростью, много меньшей скорости света. По законам той же электродинамики медленные частицы намного сильнее ионизуют вещество, чем ультрарелятивистские частицы.

Именно на поиск такого типа следов и рассчитан эксперимент MoEDAL.

По сравнению со сложнейшими детекторами, напичканными дорогой аппаратурой, MoEDAL - это очень дешевый, можно даже сказать простецкий, эксперимент. Заключается он в том, что на стенах и потолке подземного зала LHCb будет установлено несколько многослойных листов из специального пластика, которые и сыграют роль детектора ионизирующего излучения. Никакой электроники тут не используется - просто по окончании одного-двухгодичного сеанса работы листы будут сняты, вытравлены щелочью и внимательно изучены. Ионизационный след, оставленный в них частицей с высокой ионизирующей способностью, после травления превратится в конический дефект, который будет хорошо заметен под микроскопом.