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ATLAS si trova in una grande hall sotterranea, a circa 150 m di profondità, nel punto di intersezione n. 1 di LHC. È lungo 45 metri e alto 25 metri, metà delle dimensioni della cattedrale di Nôtre Dame di Parigi, e pesa circa 7000 tonnellate, come la Torre Eiffel.

L’esperimento è stato disegnato per studiare al meglio tutti gli aspetti della fisica delle collisioni protone-protone a 14 TeV nel centro di massa. I rivelatori che lo compongono sono in grado di rivelare e misurare con grande precisione: elettroni, fotoni, muoni, leptoni tau e adroni (jet) (anche dal decadimento di quark charm, bottom e top), prodotti nelle interazioni protone-protone. Inoltre l’ermeticità dell’apparato sperimentale permette di rivelare la produzione di neutrini o altre particelle non note che non sono rivelate direttamente nell’apparato.

L’esperimento è costruito intorno al punto di collisione dei due protoni con una sequenza di rivelatori di diverso tipo e funzione, determinata dalle proprietà di interazione con la materia delle particelle da osservare (come descritto successivamente).

In prossimità del punto di interazione tra i protoni, è situato il tracciatore interno per la determinazione della traiettoria delle particelle cariche emesse nella collisione. Questo è posto in un campo magnetico di 2 Tesla, generato da un magnete solenoidale superconduttore: dalla curvatura della traiettoria nel campo magnetico si può determinare la quantità di moto delle particelle osservate. Procedendo verso l’esterno del rivelatore, si trova il calorimetro elettromagnetico, per l’identificazione degli elettroni e dei fotoni e la misura della loro energia, e successivamente il calorimetro adronico per la misura dell’energia di jet (getti) di particelle adroniche (pioni, protoni, neutroni, etc.).
Questi rivelatori sono situati al centro di un grande magnete toroidale, formato da 8 grandi bobine superconduttrici (rettangolari: 25 m x 5 m), che determinano la geometria dell’intero esperimento. Al suo interno, nelle zone in avanti, sono stati inseriti due toroidi superconduttori più piccoli. Nel campo magnetico del grande toroide sono posti i rivelatori per il trigger (selezione) e la misura della traiettoria dei muoni di alta energia. Rivelatori simili, per l’identificazione dei muoni emessi a meno di 15° dai fasci di protoni, sono posizionati dopo i due toroidi più piccoli. A 17 metri dal punto di interazione e in prossimità dei fasci di protoni si trovano i rivelatori per la misura della luminosità.
In una hall sotterranea contigua all’esperimento, è situata l’elettronica per il trigger (selezione) degli eventi interessanti e per la registrazione dei dati per la successiva analisi. Completa l’esperimento la rete di calcolo per l’analisi dei dati situata in parte al CERN e in parte in sedi distribuite su tutto il pianeta.

Un esperimento è formato da rivelatori capaci di distinguere i vari tipi di particelle e di misurarne la loro energia. Lo schema in figura ne illustra le componenti principali.
In prossimità del punto di collisione si trova il tracciatore interno composto da rivelatori adatti a misurare con grande precisione la posizione delle particelle cariche che li attraversano. Questi rivelatori sono posti in un campo magnetico: dalla misura della curvatura delle tracce cariche nel campo magnetico si determina la quantità di moto delle particelle. Le particelle neutre come i fotoni e gli adroni neutri (per es. i neutroni) attraversano il tracciatore interno senza essere osservati.
Segue un calorimetro elettromagnetico. In questo rivelatore elettroni, positroni (e+) e fotoni sono identificati dall’osservazione delle caratteristiche cascate elettromagnetiche da essi generate. I fotoni si distinguono dagli elettroni (positroni) per l’assenza della traccia carica nel tracciatore interno.