CERN как ловят частицы

1.

CERN
Как ловят частицы
Устройство CERN и модель магнитного трекера ParticleLab

2.

CERN: Европейская организация ядерных
исследований
1954
27 км
~100 м
год основания, Женева
(Швейцария и Франция)
длина кольца Большого
адронного коллайдера (LHC)
глубина, на которой
расположен ускоритель
Фундаментальная физика: из чего состоит материя и какие силы действуют между частицами.

3.

LHC: основные параметры
Параметр
Значение
Длина кольца
26 659 м
Глубина
около 100 м
Магниты
9 593 всего
Диполи
1 232 по 15 м
Квадруполи
392 по 5–7 м
Температура магнитов
1,9 К
Энергия столкновения
13,6 ТэВ (6,8 ТэВ на пучок)
Источник: CERN, home.cern/resources/faqs/facts-and-figures-about-lhc. Схема условная.

4.

Четыре крупных эксперимента LHC
Детектор
Задача
ATLAS
универсальный: бозон Хиггса, поиск новой
физики
CMS
универсальный, независимое подтверждение
ATLAS
ALICE
кварк-глюонная плазма в столкновениях
тяжёлых ионов
LHCb
b-кварки, различия материи и антиматерии
Есть и малые эксперименты: TOTEM, LHCf, MoEDAL, FASER, SND@LHC.

5.

Слои детектора
• Трекер: кремниевые слои, траектории и импульс
заряженных частиц.
• ЭМ-калориметр: энергия электронов и фотонов.
• Адронный калориметр: энергия адронов.
• Соленоид: магнитное поле для изгиба треков.
• Мюонные камеры: мюоны, единственные заряженные
частицы, дошедшие до края.
Схема упрощённая, не в масштабе. Реальное число слоёв и радиусы зависят от эксперимента.

6.

ATLAS и CMS: основные параметры
ATLAS
CMS
Длина
46 м
28,7 м
Диаметр
25 м
15 м
Масса
7 000 т
14 000 т
Магнитное поле трекера
2 Тл
3,8 Тл
Трекер
кремний + трубки TRT
только кремний, около 200 м²
микростриповых сенсоров
Источники: atlas.cern (ATLAS, 46 × 25 м, 7 000 т); CMS Collaboration, SMP-23-004, Fig. 2 (28,7 м, 15 м, 14 000 т, 3,8 Тл).

7.

Как детектор измеряет импульс
1. Попадания
2. Поле
3. Подгонка
Частица пролетает слои
датчиков и оставляет точки
(hits).
Магнитное поле искривляет
путь заряженной частицы по
дуге.
По точкам находят радиус
окружности R и считают
импульс.
pT [ГэВ/c] ≈ 0,3 · |q/e| · B [Тл] · R [м]

8.

Один трек, три поля
pT = 1,5 ГэВ/c, заряд +e. Радиус по формуле R = pT / (0,3 · B).
Иллюстрация построена по формуле модели ParticleLab. Слои: 0,65–3,05 м.

9.

ParticleLab: модель трекера
В приложении
В реальном детекторе
Концентрические кольца
слои кремниевого трекера
Белые точки
измеренные попадания (hits)
Цветные дуги
траектории заряженных частиц
Серый пунктир
нейтральная частица, прямой путь
Подгонка окружности
реконструкция трека и оценка pT
Python + pygame. Точки шумят, как реальные измерения.

10.

ParticleLab: параметры модели
Параметр
Значение
Поле B
0,5–4,0 Тл, шаг 0,5 (старт 2,0)
Импульс
0,2–5,0 ГэВ/c, шаг 0,2 (старт 1,5)
Слои трекера
7 колец, 0,65–3,05 м
Шум положения
σ = 0,012 м
Эффективность попадания
96 % заряженные, 97 % нейтральные
Треки в событии
5: 4 заряженных, 1 нейтральный
Подгонка
алгебраическая окружность, метод наименьших
квадратов

11.

Что показать в приложении
B / Shift+B
↑/↓
Сильнее поле — меньше радиус, дуга круче.
Больше импульс — трек почти прямой.
C
Пробел
Выбор трека: сравните истинный и оценённый pT.
Новое столкновение: другие треки, другая ошибка.

12.

Что модель упрощает
В модели
В реальности
Плоская 2D-картинка
объёмное поле и треки в 3D
Слои до 3,05 м
радиус трекера CMS около 1,2 м
Шум 12 мм
разрешение кремния порядка десятков микрон
Нейтральный трек даёт попадания
трекер нейтральные частицы не видит
Нет рассеяния и потерь энергии
материал детектора искажает треки
Поэтому это учебная модель, а не симулятор CERN.

13.

Итоги
• CERN изучает материю на ускорителях и детекторах.
• Трекер превращает точки в дугу, а дугу в импульс.
• ParticleLab наглядно показывает этот принцип.
Учебная модель, не официальный симулятор CERN.

14.

Источники
• CERN: LHC facts and figures, home.cern
• ATLAS Experiment, atlas.cern
• CMS Collaboration, SMP-23-004, Fig. 2 (cms-results.web.cern.ch)
• Диссертация TU Wien о трекере CMS (repositum.tuwien.at)
• Код приложения: particlelab.py (pygame)
Цифры проверены на момент 20.10.2026. Схемы нарисованы для презентации.