Cms детектор: The cms detector

Содержание

Новости / Служба новостей ТПУ

Главная страница
Новости

Версия для печати

27 июля 2021

| 1520

Теги:

наука

ЦЕРН

ИШФВП

Большой университет

На одном из крупнейших детекторов Большого адронного коллайдера — CMS — на днях прошла замена системы мониторинга радиационного фона и параметров сталкивающихся пучков. Одна из важных частей системы — система аварийного сброса пучка BCML, необходимая для защиты отдельных узлов CMS и их электроники от критических радиационных повреждений. Для нее ученые Томского политехнического университета установили восемь новых алмазных датчиков — это главная часть системы. Планируется, что новые детекторы прослужат от трех до пяти лет, до следующего обновления детектора. Стабильная работа системы позволит ученым получить новые данные об устройстве материи на элементарном уровне.

Фото: внутренняя часть детектора CMS

Большой адронный коллайдер — это самый крупный и самый мощный на сегодняшний день ускоритель заряженных частиц. В нем пучки адронов — класс частиц, в который входят, в том числе, протоны, — ускоряются и сталкиваются. Здесь ученые из десятков стран мира изучают, что происходит в результате этих столкновений.

Вокруг точек столкновения пучков установлены большие детекторы. Один из четырех основных детекторов — это Компактный мюонный соленоид CMS. Диаметр «компактного» CMS составляет 16 м, а его длина достигает 25 м. Он считается детектором общего назначения и предназначен как для исследования и проверки предсказаний «Стандартной модели элементарных частиц» (в том числе свойств бозона Хиггса), так и для поиска «нестандартной физики», дополнительных измерений и темной материи.

Ученые и инженеры Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Томского политеха работают в эксперименте CMS в научной группе BRIL, совместно с коллегами из ЦЕРН, DESY, Принстонского университета (США), университета Кентербери (Новая Зеландия) и других организаций. Здесь томские политехники отвечают за разработку, модернизацию и обслуживание системы «медленного мониторинга» столкновения протонов и тяжелых ядер и аварийного сброса пучка.

Фото: инспекция высоковольтных линий системы BCML, на фото Виталий Охотников

Эта система позволяет ученым измерять радиационный фон от столкновений протонов, анализировать его изменения как за короткие времена, соответствующие случайным отклонениям отдельных частиц, так и фиксировать долговременные изменения. Они могут быть связаны с отклонениями в движении пучка или, например, потерей вакуума в канале транспортировки. При критических отклонениях пучок необходимо остановить, то есть принудительно сбросить. Иначе долговременное воздействие пучка, движущегося с колоссальной энергией, может привести к необратимым повреждениям сложных и дорогостоящих систем детектора и коллайдера. Каждый аварийный или ложный сброс пучка — это настоящий инцидент, подлежащий расследованию.

Система, с которой работают ученые ТПУ, — сложная и многокомпонентная. Но самая важная ее часть — это набор алмазных сенсоров, находящихся в самом сердце детектора вблизи точки столкновения протонов. Алмаз — самый устойчивый к радиационному воздействию материал, но даже он постепенно теряет свои свойства из-за сверхвысоких доз радиации и его необходимо менять.

Алмазные детекторы представляют собой пластины искусственных алмазов высочайшего качества с нанесенными на них металлическими контактами из хрома и золота. Металлизированные кристаллы припаиваются к специальным платам, также покрытым золотом. Во время работы датчика на него подается напряжение порядка 500 Вольт. Когда сквозь сенсор пролетает частица, в нем появляется электрический ток, который можно измерить. Если величина тока за определенный интервал превышает установленный порог, система дает сигнал на сброс пучка.

«Последний раз в системе «медленного мониторинга» сенсоры меняли в 2015 году. Сейчас мы заменили восемь сенсоров, которые прослужат еще около пяти лет. Подготовка к установке, включающей полную инспекцию системы и поверку новых сенсоров, потребовали несколько месяцев напряженной работы непосредственно на детекторе. Сама установка системы в шахте продолжалась двое суток.

С их помощью наши коллеги из других научных групп CMS смогут набрать новые объемы данных в следующий период работы коллайдера», — говорит научный сотрудник Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Алексей Шевелев.

По словам специалиста, в задачи научной группы также входит поиск новых материалов, которые могли бы удешевить стоимость сенсоров или продлить их работу.

«Дело в том, что ЦЕРН готовится к переходу от проекта Большого адронного коллайдера к Большему адронному коллайдеру на высокой светимости (HL-LHC). Для этого перестраиваются все системы ускорителя. По расчетам, количество столкновений в нем вырастет в 10 раз, возрастут радиационные поля, и алмазные детекторы, соответственно, будут терять свои свойства быстрее, и их придется менять чаще. Поэтому мы активно ищем варианты, как удешевить обслуживание системы, на что можно заменить алмазы. Осенью в экспериментальной части нашего детектора мы планируем установить образцы алмазов российского производства, которые в несколько раз дешевле использующихся сегодня, а также в разы более бюджетные кристаллы сапфиров. Нам предстоит выяснить их устойчивость к радиации и скорость деградации», — добавляет младший научный сотрудник Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Виталий Охотников.

Справка:

Ученые ТПУ участвуют в работе нескольких коллабораций и департаментов Европейской организации по ядерным исследованиям — ЦЕРНа. Так, в коллаборации CMS ученые вуза ведут исследования в рамках проекта BRIL по измерению характеристик пучка частиц. В коллаборации LHCb они работают над модернизацией трекового детектора Sci-Fi, проводят анализ распадов прекрасных и очарованных мезонов, ведут поиск экзотических частиц. В рамках коллаборации NA64 ведутся исследования по поиску темной материи, в эксперименте COMPASS проводят исследования структуры адронов. Томские политехники также участвуют в создании новейших методов диагностики и управления пучком протонов коллайдера совместно с отделением по ускорительным технологиям.

Ловушка для антивещества. Физики перезапустили Большой адронный коллайдер

После трехлетнего перерыва в ЦЕРН вновь заработал Большой адронный коллайдер. О том, как изменился крупнейший в мире ускоритель, новых планах и ожиданиях ученых — в материале РИА Новости.

В тоннеле Большого адронного коллайдера, 23 сентября 2021

Подтверждение Стандартной модели

Десять лет назад, 4 июля 2012-го, в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) объявили об открытии бозона Хиггса. Это была последняя до тех пор не обнаруженная элементарная частица из предсказанных теоретически. Собственно, в том и заключалось предназначение Большого адронного коллайдера (БАК), запущенного в 2008-м, — подтвердить Стандартную модель или обнаружить какие-то отклонения от нее.

Схема эксперимента на детекторе CMS большого адронного коллайдера по поиску бозона Хиггса

С первой частью задачи БАК справился прекрасно. Исследователи не только зарегистрировали квант поля Хиггса, необходимый для объяснения того, как другие частицы получают массу, но и с большой точностью определили его параметры. После этого был целый ряд более мелких открытий: изучили основные статистические характеристики протонных столкновений, показали отсутствие асимметрии протонов и антипротонов, получили доказательства существования кварк-глюонной плазмы. Но продвинуться за пределы традиционной теории так и не удалось.

В поисках новой физики

Стандартная модель, разработанная в начале 1970-х, утверждает, что обычная материя состоит из легких частиц, называемых кварками, которые, объединяясь, образуют протоны и нейтроны, а также из лептонов — электронов, мюонов и нейтрино. Все они связаны бозонами: фотоны передают электромагнитные кванты, W- и Z-бозоны — слабое взаимодействие, глюоны — сильное.

Но этой модели недостаточно. Из четырех известных фундаментальных типов взаимодействий, управляющих всем, от микромира до галактик, — электромагнитного, сильного, слабого и гравитационного — она объясняет только первые три, не охватывает темную материю и темную энергию, а с Общей теорией относительности, описывающей гравитацию, вообще не стыкуется.

Классификация элементарных частиц в соответствии со Стандартной моделью

Есть и другие вопросы. Так, согласно Стандартной модели, нейтрино — невесомые частицы. Тем не менее эксперименты показали, что у них есть масса. Кроме того, предполагается симметрия материи и антиматерии, хотя очевидно, что последней во Вселенной ничтожно мало. Ученые надеялись, что Большой адронный коллайдер поможет хотя бы частично снять эти противоречия.

Проектная мощность БАК почти в семь раз превышает энергию любого другого ускорителя, поэтому на нем рассчитывали увидеть образование новых, ранее неизвестных частиц. В том числе предсказанных гипотезой суперсимметрии, по которой у всех элементарных частиц есть суперпартнеры с другим моментом импульса — спиновым числом.

Бозон Хиггса зарегистрировали относительно быстро. Отчасти потому, что он оказался менее массивным, чем предсказывала теория, и для его образования потребовалась меньшая мощность коллайдера. Но за последующие десять лет физики не обнаружили ни одной новой частицы. К тому же наблюдения за распадом В-мезонов — составных частиц из равного числа кварков и антикварков — не выявили суперсимметрии. Впрочем, физики указывают, что Большой адронный коллайдер еще не вышел на полную мощность и, возможно, главные открытия еще впереди.

После трех лет модернизации БАК приступает к третьему циклу исследований из пяти, запланированных до 2040 года. Первый провели в 2010-2012-м, второй — 2015-2018-м. Между ними также занимались модернизацией.

Больше энергии и данных

Коллайдер представляет собой подземное кольцо из вакуумных труб длиной 26,7 километра. Частицами управляют с помощью электромагнитных устройств. Ускорительный комплекс разгоняет пучки протонов и направляет их навстречу друг другу. Вероятность столкновений ничтожно мала, но иногда эти события все же происходят. Исследователи наблюдают за частицами, возникающими в результате этих ударов, и корректируют по ним законы физики.

Важнейшие характеристики ускорителя — энергия потока и количество столкновений на квадратный сантиметр сечения. Первый параметр особенно важен, так как чем выше энергия, тем более массивные частицы образуются после удара. Ученые рассчитывают на открытия именно в сверхтяжелом диапазоне, поэтому последовательно увеличивают энергию потока. В первом цикле было семь-восемь тераэлектронвольт (ТэВ), втором — 13, сейчас подняли до 13,6.

Кроме того, модернизировали четыре основных детектора — ALICE, ATLAS, CMS и LHCb, на каждом из которых проводят самостоятельные эксперименты, — и три вспомогательных. Добавили и два новых, специально предназначенных для поиска явлений, не укладывающихся в Стандартную модель, а также усовершенствовали и саму технологию наблюдений. Теперь коллайдер будет работать с постоянной частотой, что должно увеличить поток данных в полтора раза.

Направления определены

Ученые уже накопили солидный список расхождений между наблюдениями и предсказаниями Стандартной модели. Именно в этом направлении и продолжат работу в течение следующих трех лет.

Так, на детекторе LHCb обнаружили, что B-мезоны — частицы, содержащие нижний и прелестный кварки, примерно на 15 процентов чаще распадаются на электрон и позитрон, чем на мюон и антимюон. Это противоречит Стандартной модели. Различие можно объяснить гипотетическими тяжелыми частицами — лептокварками.

Два варианта распада одной из разновидностей В-мезонов, состоящих из тяжелого b-кварка и легкого d-антикварка с образованием К-мезона (каона), состоящего из s-кварка и d-антикварка. В первом случае при распаде b-кварка образуется пара противоположно заряженных мюонов, во втором — пара электрон — позитрон

В других экспериментах также получили намеки на существование лептокварков или других частиц. На это указывают разность в скорости распада бозона Хиггса на мюон и антимюон, а также более высокая намагниченность мюона, чем предсказывает теория.

1 / 2

Детектор LHCb для исследования асимметрии материи и антиматерии во взаимодействиях b-кварков

2 / 2

Детектор LHCb

В марте исследователи CMS опубликовали сразу три доклада, посвященных явлениям, которые выходят за рамки Стандартной модели. Во-первых, речь идет о так называемых векторных лептонах, при распаде которых образуется избыток нижних кварков и тау-лептонов. Во-вторых — о двух новых частицах, распадающихся на два тау-лептона на верхнем пределе энергии потока. И в-третьих — о потенциальных высокоэнергетических частицах, рождающихся парами и распадающихся на пары (диджетах).

1 / 3

Компактный мюонный соленоид CMS — один из двух больших универсальных детекторов БАК

2 / 3

Универсальный детектор CMS

3 / 3

Универсальный детектор CMS

Недавно ученые из коллаборации ATLAS в результатах триллионов столкновений, зафиксированных за три года, нашли семь частиц с энергией около 1,4 ТэВ. Это примерно в восемь раз больше, чем у самой тяжелой известной частицы.

1 / 3

Многоцелевой детектор ATLAS

2 / 3

Многоцелевой детектор ATLAS

3 / 3

Многоцелевой детектор ATLAS

На всех трех детекторах продолжат поиски в намеченных направлениях. Четвертый — ALICE — предназначен для изучения кварк-глюонной плазмы — горячего плотного «супа» из элементарных частиц, образовавшегося в результате столкновений тяжелых ионов. Считается, что в таком виде находилось вещество Вселенной сразу после Большого взрыва.

В первых двух циклах работы БАК ученые подтвердили, что похожее состояние материи возникает при столкновении ионов свинца. После модернизации ALICE сможет фиксировать в сто раз больше событий, чем раньше, а благодаря усовершенствованной электронике — точнее определять температуру плазмы и содержание в ней кварков различного типа.

Детектор ALICE

Одно из первых столкновений ядер свинца, зарегистрированное детектором ALICE в ноябре 2010-го

Детектор ALICE

Одно из первых столкновений ядер свинца, зарегистрированное детектором ALICE в ноябре 2010-го

С 22 апреля обновленный Большой адронный коллайдер работал в тестовом режиме. Физики настраивали пучки заряженных частиц, добиваясь стабильности потоков. Ожидается, что 5 июля включатся все основные детекторы и начнется сбор данных.

Оригинальный детектор | CMS в Fermilab

Американская коллаборация CMS под руководством Fermilab внесла большой вклад в создание следующих детекторных подсистем:

Пиксельный трекер CMS образует самую внутреннюю часть детектора CMS. Пиксельный трекер предоставляет точную информацию о пространственных точках, которая вместе с внешним трекером помогает в реконструкции заряженных частиц. Пиксельные модули предоставляют двумерную информацию о местоположении, а совпадения пикселей служат исходными данными для алгоритмов отслеживания. Измеряя траектории заряженных частиц, CMS может очень точно измерять кинематические свойства этих частиц и предоставлять информацию о первичных и вторичных вершинах. Используемая технология представляет собой пиксельные кремниевые датчики, которые подходят для самых внутренних слоев системы слежения, но были бы чрезмерно дорогими для всего объема трекера.

Пиксельный трекер состоит из бочкообразной системы (BPix) и двух передних пиксельных систем (FPix). CMS США отвечала за создание и доставку FPix.

Полудиск FPIX в исходном детекторе CMS

Институты США, участвовавшие в создании исходной системы прямого пикселя, включали SUNY/Buffalo, Colorado, Cornell, Davis, Fermilab, Iowa, John Hopkins, Kansas, Mississippi, Nebraska , Северо-Западный, Пердью, Рутгерс и Вандербильт.

К началу страницы

Стержень TOB в испытательном боксе в SiDet

Стержень TOB вставляется во внешний ствол

Внешний полностью кремниевый трекер CMS состоит из кремниевых ленточных датчиков и представляет собой цилиндрическую систему трекера ствола (внутренний и наружная) и две системы торцевых заглушек. США построили все 5 208 модулей внешнего ствола (TOB) трекера. Они были собраны и испытаны на двух производственных площадках в США: Фермилаб и Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. Модули были доставлены в ЦЕРН в виде стержней, последняя поставка которых состоялась в августе 2006 года. Затем группа интеграции ЦЕРН вставила 688 стержней в колесо TOB.

Институты, участвовавшие в сборке и тестировании модуля TOB и стержня, включали Университет Брауна, Фермилаб, Канзасский государственный университет, Канзасский университет, Иллинойсский университет в Чикаго, Калифорнийский университет в Риверсайде, Рочестерский университет, Калифорнийский университет в Санта-Барбаре и три группы. из Мексики (Чинвестав, Пуэбла и Сан-Луис-Потоси). Группа внешнего трекера CMS США также внесла свой вклад в интеграцию TOB и секторальное тестирование средства интеграции трекера и в настоящее время участвует в запланированной полной замене внешнего трекера в рамках этапа обновления 2.

К началу страницы

Адронный калориметр (HCAL) измеряет энергию адронов, таких как протоны, нейтроны и каоны. HCAL состоит из 17 слоев латуни (поглотитель) и пластикового сцинтиллятора. Налетающий адрон взаимодействует с ядром в латуни, создавая поток частиц, который производит свет в сцинтилляторе пропорционально энергии адрона. Фотосенсоры и специализированная электроника устанавливаются на детектор для измерения света, по которому мы можем определить энергию исходной частицы. Это также используется для расчета любой недостающей энергии, уносимой слабо взаимодействующими частицами, такими как нейтрино, или какой-то новой частицей, возможно, кандидатом в темную материю.

Для оригинального HCAL сотрудничество CMS США отвечало за закупку, подготовку и сборку латунного поглотителя ствола (HB) и плит сцинтиллятора, а также всей внешней электроники HCAL, триггера и считывателя. Инженеры-механики Fermilab разработали латунный амортизатор для HB. Активные элементы, сцинтилляционные плитки, для НВ производились в сборочных корпусах Фермилаб-Виллидж, где они вырезались, шлифовались, алюминировались и собирались в «мегатилки». Инженеры Fermilab спроектировали, построили и протестировали переднюю электронику, включая QIE ASIC.

Мегаплитка вставляется между латунными поглотителями в HB

Собранные и испытанные мегаплитки, а также изготовленные в промышленности латунные клинья HB были отправлены в ЦЕРН, где они были соединены вместе. Затем была установлена передняя электроника, а 18 клиньев весом около 28,6 тонн каждый были собраны в две большие сборки, НВР и НВМ. Сборки HB были первыми детекторами, установленными в подземном зале столкновений CMS.

К началу страницы

Мюоны — это элементарные частицы, электрически заряженные, похожие на электроны и позитроны, только в 200 раз тяжелее. Ожидается, что они будут образовываться при распаде ряда других известных нестабильных частиц и потенциально новых частиц. Обнаружение мюонов — одна из самых важных задач в CMS, как следует из названия «Компактный мюонный соленоид».

Мюоны могут проникать сквозь толщу железа на несколько метров без взаимодействия, и поэтому, в отличие от большинства частиц, их не останавливает ни один из калориметров CMS. Поэтому камеры для регистрации мюонов размещены вне соленоида, чередуясь с железными пластинами «обратного ярма».

Отслеживая путь частицы через несколько слоев каждой мюонной станции в сочетании с измерениями внутреннего трекера, детекторы могут идентифицировать и измерять импульс частицы. (Заряженные частицы изгибаются в магнитном поле, и то, насколько оно изгибается, зависит от поля и импульса частицы.) Магнит CMS очень мощный, поэтому даже траектории мюонов очень высокой энергии изгибаются, и ученые могут рассчитать их импульсы.

Всего насчитывается 1400 мюонных камер: 250 дрейфовых трубок (ДТ) и 540 камер с катодной лентой (CSC) отслеживают положение частиц и обеспечивают запуск, а 610 камер с резистивными пластинами (RPC) образуют резервную систему запуска, которая быстро решает, сохранять полученные данные о мюоне или нет. Из-за множества слоев детектора и различных особенностей каждого типа система надежна и способна отфильтровывать фоновый шум.

DT и RPC расположены концентрическими цилиндрами вокруг линии луча («область ствола»), а CSC и RPC образуют «торцевые» диски, закрывающие концы ствола.

Собранные модули CSC

К началу страницы

Триггерная система CMS обрабатывает данные о столкновениях от детекторов CMS в режиме реального времени, получая данные о до 1 миллиарда различных протон-протонных (тяжелых ионов) столкновениях в секунду, определяя их критические свойства и выбор событий для дальнейшей обработки. Система запуска состоит из двух уровней, предназначенных для выбора событий, потенциально представляющих интерес с точки зрения физики. Первый уровень триггера реализован аппаратно и выбирает события, содержащие сигналы детектора, соответствующие электрону, фотону, мюону, тау-лептону, джету или отсутствующей поперечной энергии. Для выбора событий используется программируемое меню, содержащее до 128 объектно-ориентированных алгоритмов. Пороги запуска настраиваются на мгновенную яркость LHC во время сбора данных, чтобы ограничить выходную скорость триггера L1 до 100 кГц, верхнего предела, установленного электроникой считывания CMS. Триггер второго уровня, называемый триггером высокого уровня (HLT), реализован в программном обеспечении (C++), работающем на обычных ЦП. HLT дополнительно уточняет выбор и чистоту выходного потока и выбирает среднюю частоту 400 Гц для автономного хранения событий.

К началу страницы

Новый драгоценный камень внутри детектора CMS

Иногда большие вопросы требуют больших инструментов. Вот почему мировое сообщество ученых разработало и построило гигантские детекторы для наблюдения за столкновениями высокоэнергетических частиц, генерируемыми Большим адронным коллайдером ЦЕРН в Женеве, Швейцария. Из этих столкновений ученые могут вернуться по следам Большого взрыва и искать новые свойства природы.

Эксперимент CMS является одним из таких детекторов. В 2012 году он открыл неуловимый бозон Хиггса вместе с родственным экспериментом ATLAS. Теперь ученые хотят, чтобы CMS вышла за рамки известных законов физики и начала искать новые явления, которые могли бы помочь ответить на фундаментальные вопросы о нашей Вселенной. Но для этого детектор CMS нуждался в обновлении.

«Как и в любом другом электронном устройстве, части нашего детектора со временем изнашиваются, — говорит Стив Нан, научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории Ферми Министерства энергетики США и руководитель американского проекта по модернизации детектора CMS. «Мы планировали и разрабатывали это обновление вскоре после того, как наш эксперимент впервые начал собирать данные в 2010 году».

Детектор CMS выполнен в виде гигантской луковицы. Он содержит слои инструментов, которые отслеживают траекторию, энергию и импульс частиц, возникающих в результате столкновений БАК. Подавляющее большинство датчиков в массивном детекторе упаковано в его центр, внутри так называемого пиксельного детектора. Детектор пикселей CMS использует датчики, подобные тем, что используются в цифровых камерах, но с молниеносной скоростью затвора: в трех измерениях они делают 40 миллионов снимков каждую секунду.

В течение последних нескольких лет ученые и инженеры Фермилаборатории и 21 университета США собирали и тестировали новый пиксельный детектор для замены существующего в рамках обновления CMS при финансовой поддержке Департамента энергетики. Национальный научный фонд.

Марал Аляри из SUNY Buffalo и Стефани Тимпоне из Fermilab измеряют тепловые свойства диска переднего пиксельного детектора в Fermilab. Почти все работы по конструированию и тестированию детекторов прямого пикселя происходили в Соединенных Штатах до того, как компоненты были отправлены в ЦЕРН для установки внутри детектора CMS.

Фото Рейдара Хана, Fermilab

Стефани Тимпоне сверяется со схемой кабелей, пока ее коллеги-инженеры Грег Дерило и Отто Альварес проверяют готовый передний пиксельный диск. Карта кабелей определяет их задачу по прокладке тонких гибких кабелей, которые соединяют 672 кремниевых датчика диска с электронными платами.

Максимилиан Брис, ЦЕРН

Детектор CMS, расположенный в пещере на глубине 100 метров под землей, открыт для установки пиксельного детектора.

Фото Максимилиана Бриса, ЦЕРН

Постдокторант Стефанос Леонцинис и его коллега Роланд Хорисбергер работают с макетом одной стороны бочкообразного пиксельного детектора рядом с лучевой трубкой БАК.