Study and simulation of the radiation background of the ATLAS experiment at CERN using the Monte Carlo method

Lymperaiou, Maria; Λυμπεραίου, Μαρία

dc.contributor.author	Lymperaiou, Maria	en
dc.contributor.author	Λυμπεραίου, Μαρία	el
dc.date.accessioned	2017-09-04T10:01:12Z
dc.date.available	2017-09-04T10:01:12Z
dc.date.issued	2017-09-04
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/45491
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.14391
dc.rights	Default License
dc.subject	ATLAS detector	en
dc.subject	LHC	en
dc.subject	Radiation impact	en
dc.subject	Monte Carlo method	en
dc.subject	MCNP software	en
dc.subject	Ανιχνευτής ATLAS	en
dc.subject	Επιδράσεις ακτινοβολίας	el
dc.subject	Μέθοδος Monte Carlo	el
dc.subject	Λογισμικό MCNP	el
dc.subject	Υπόβαθρο ακτινοβολίας	el
dc.title	Study and simulation of the radiation background of the ATLAS experiment at CERN using the Monte Carlo method	en
heal.type	bachelorThesis
heal.generalDescription	Ο ATLAS είναι ένας από τους δύο ανιχνευτές γενικού σκοπού στο Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN. Διερευνεί ένα ευρύ πεδίο φυσικής, από την αναζήτηση του μποζονίου Higgs μέχρι την ύπαρξη επιπλέον διαστάσεων και σωματιδίων που μπορούν να δημιουργήσουν σκοτεινή ύλη. Ο ανιχνευτής ATLAS αποτελείται από ομοαξονικούς κυλίνδρους αυξανόμενης ακτίνας περί το σημείο αλληλεπίδρασης όπου οι δέσμες πρωτονίων από τον LHC συγκρούονται. Μπορεί να χωριστεί σε τέσσερα κύρια κομμάτια: ο Εσωτερικός Ανιχνευτής, η εσώτερη διάταξη, ανιχνεύει την κίνηση φορτισμένων σωματιδίων, καθώς αυτά απομακρύνονται από το σημείο αλληλεπίδρασης. Οι καταγραφόμενες τροχιές που ανιχνεύονται από τις αλληλεπιδράσεις σωματιδίων-ανιχνευτή ως ένα πλήθος διακριτών σημείων αποτελούν το πρώτο βήμα στην αναγνώριση μέχρι πρότινος άγνωστων σωματιδίων. Τα θερμιδόμετρα μετρούν την ενέργεια ουδέτερων και φορτισμένων σωματιδίων αλληλεπιδρώντας με αυτά, με αποτέλεσμα τη δημιουργία καταιγισμό δευτερευόντων σωματιδίων. Το φασματόμετρο μιονίων, το εξώτερο τμήμα του ανιχνευτή, πραγματοποιεί επιπλέον μετρήσεις πολύ διαπεραστικών μιονίων, τα οποία είναι ικανά να διαπεράσουν τα εσώτερα στρώματα χωρίς αλληλεπίδραση. Τέλος, το σύστημα μαγνητών καμπυλώνει φορτισμένα σωματίδια στον Εσωτερικό ανιχνευτή και στο Φασματόμετρο μιονίων˙ η κατεύθυνση κίνησής τους και ο βαθμός καμπύλωσης υποδεικνύουν το φορτίο και την ορμή του αντίστοιχα. Ο ανιχνευτής δημιουργεί δυσκόλως διαχειρίσιμα σε όγκο ακατέργαστα δεδομένα: περίπου 25 megabytes ανά γεγονός, πολλαπλασιαζόμενα επί 40 εκατομμύρια διασταυρώσεις δεσμών ανά δευτερόλεπτα στο κέντρο του ανιχνευτή, παράγοντας συνολικά 1 petabyte ακατέργαστων δεδομένων ανά δευτερόλεπτο. Έτσι, χρειάζεται ένα σύστημα σκανδαλισμού ώστε να επιλέγει εν δυνάμει ενδιαφέροντα γεγονότα προς αποθήκευση σε πραγματικό χρόνο έτσι ώστε να ελαχιστοποιείται η επίδραση διεργασιών υποβάθρου. Το σύστημα σκανδαλισμού του ATLAS χρησιμοποιεί απλές πληροφορίες για την αναγνώριση των πιο ενδιαφερόντων γεγονότων τα οποία διατηρούνται για περαιτέρω ανάλυση. Το σύστημα απόκτησης δεδομένων λαμβάνει και αποθηκεύει τα δεδομένα του γεγονότος από τα ειδικά ηλεκτρονικά ανάγνωσης των ανιχνευτών. Το υπολογιστικό πλέγμα χρησιμοποιείται εκτεταμένα για την ανακατασκευή γεγονότων, επιτρέποντας την παράλληλη επεξεργασία σε δίκτυα υπολογιστών σε όλο τον κόσμο. Ένα μεγάλο πρόβλημα στον ανιχνευτή ATLAS είναι το μεγάλο υπόβαθρο ακτινοβολίας προερχόμενο από τις συγκρούσεις στο σημείο αλληλεπίδρασης. Αυτό το υπόβαθρο προκαλεί διάφορα προβλήματα, όπως βλάβη στους ανιχνευτές πυριτίου και στα ηλεκτρονικά ανάγνωσης, γήρανση των υποανιχνευτών, εναποθέσεις ακτινοβολίας που αλλοιώνουν τα ηλεκτρονικά σήματα ή καταστρέφουν τα εξαρτήματα, και σήματα υποβάθρου που προκαλούν εσφαλμένους και τυχαίους σκανδαλισμούς. Για τον περιορισμό των συνεπειών αυτών, ο ATLAS χρησιμοποιεί σχεδόν 3000 τόνους θωράκισης σε πολυστρωματικό σχεδιασμό, εκμεταλλευόμενος τις απορροφητικές ικανότητες διαφορετικών υλικών. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια εισαγωγή στους σκοπούς και τις φυσικές μελέτες του LHC. Το δεύτερο κεφάλαιο περιγράφει τις διαδικασίες που αφορούν τις αλληλεπιδράσεις των διαφόρων σωματιδίων με την ύλη, οι οποίες μπορεί να οδηγήσουν στη δημιουργία νέων σωματιδίων. Μια ανάλυση της διάταξης του LHC διεξάγεται στο τρίτο κεφάλαιο και μια περιγραφή της οργανολογίας και της επεξεργασίας δεδομένων του ανιχνευτή ATLAS ακολουθεί στο τέταρτο κεφάλαιο. Το κεφάλαιο 5 παρουσιάζει το λογισμικό MCNP, βασισμένο στη μέθοδο Monte Carlo, το οποίο χρησιμοποιείται στη σχεδίαση και την προσομοίωση των διαφόρων υποανιχνευτών του πειράματος. Η περιγραφή του υποβάθρου ακτινοβολίας και των περιοχών θωράκισης για την περικοπή των συνεπειών της ακτινοβολίας στους υποανιχνευτές και στο σύστημα σκανδαλισμού αναλύονται στο Κεφάλαιο 6. Το τελευταίο κεφάλαιο περιέχει τη μεθοδολογία της προσομοίωσης και τα αποτελέσματα για τους υποανιχνευτές του ATLAS. Κάποιες επιπρόσθετες προσομοιώσεις απλών γεωμετριών, καθώς και ο MCNP κώδικας για τον ανιχνευτή ATLAS συμπεριλαμβάνονται στα παραρτήματα.	el
heal.classification	Physics	en
heal.classification	Computing	en
heal.classification	Instrumentation	en
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-03-27
heal.abstract	ATLAS is one of two general-purpose detectors at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. It investigates a wide range of physics, from the search for the Higgs boson to extra dimensions and particles that could make up dark matter. The ATLAS detector consists of a series of ever-larger concentric cylinders around the interaction point where the proton beams from the LHC collide. It can be divided into four major sections: Τhe Inner Detector, the innermost component, tracks the motion of charged particles as they move away from the interaction point. The tracks measured by recording particle/detector interactions at a multitude of discrete points, form the first step in identifying the unknown particles. The calorimeters measure the energy of both neutral and charged particles by interacting with them, resulting in creating cascades of secondary particles. The Muon Spectrometer, the outermost component of the detector, makes additional measurements of highly penetrating muons, which are capable of passing through the inner layers without interaction. Finally, the magnet systems bend charged particles in the Inner Detector and the Muon Spectrometer; their direction of motion and degree of curvature become indicative of their charge and momentum, respectively. The detector generates unmanageably large amounts of raw data: about 25 megabytes per event, multiplied by 40 million beam crossings per second in the center of the detector, producing a total of 1 petabyte of raw data per second. Thus, a trigger system is needed in order to select potentially interesting events for storage in real-time, so as to avoid being overwhelmed by background processes. The ATLAS trigger system uses simple information to identify the most interesting events to retain for detailed analysis. The data acquisition system receives and buffers the event data from the detector-specific readout electronics. Grid computing is being extensively used for event reconstruction, allowing the parallel use of computer networks throughout the world. A major problem at the ATLAS detector is the huge radiation background, coming from the collisions at the interaction point. This background causes several problems such as radiation damage to silicon detectors and readout electronics, ageing of the subdetectors, radiation deposits that disrupt electronic signals or destroy components, and background signals resulting in spurious and random triggers. For the limitation of these consequences, ATLAS uses almost 3000 tonnes of shielding in a multilayer design, taking advantage of the absorbing capacities of different materials. In the first chapter an introduction on the purposes and the physics studies of the LHC is presented. The second chapter describes the processes regarding the interactions of the various particles with matter, which may lead to the creation of new particles. An analysis of the LHC machine is carried out in the third chapter and a description of the ATLAS detector instrumentation and data processing follows in the fourth chapter. Chapter 5 presents the MCNP software, based on the Monte Carlo method, which is used for the design and the simulation of the various subdetectors of the experiment. The description of the radiation background and the shielding regions needed to curb the radiation effects in the subdetectors and the trigger system are analyzed in Chapter 6. The last chapter contains the methodology of the simulation and the results for the ATLAS subdetectors. Some additional simulations of simple geometries, as well as the MCNP code for the ATLAS detector are included in the appendices.	en
heal.advisorName	Γαζής, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Γλύτσης, Ηλίας	el
heal.committeeMemberName	Ξανθάκης, Ιωάννης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	208 σ.
heal.fullTextAvailability	true