Детектор cms: Детектор CMS • Устройство Большого адронного коллайдера

Детектор CMS • Устройство Большого адронного коллайдера

Название CMS расшифровывается как Compact Muon Solenoid (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. Всё это — умеренно большие размеры, большой вес и сильное магнитное поле — налагает на устройство компонентов детектора особые требования.

Магнит

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 ярмо (показано красным цветом на рис.  1 и 2), 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 тесла 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 (для сравнения, масса детектора ATLAS целиком составляет «всего» 7 тысяч тонн). Оно содержит в два раза больше железа, чем Эйфелева башня. Механическая поддержка ярма сама по себе является нетривиальной инженерной задачей.

Трековые детекторы

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.

Калориметры

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.

Использующиеся в детекторе CMS кристаллы вольфрамата свинца выращивались в двух местах в мире: в бывшем военном комплексе в городе Богородицк и в Шанхайском институте керамик (подробности см. в истории изготовления кристаллов на сайте CMS).

Торцевые калориметры детектора CMS умеют надежно отличать отдельный фотон высокой энергии от пары фотонов, родившихся при распаде нейтрального пи-мезона высокой энергии и потому вылетевших в очень близких направлениях. Одиночные фотоны высоких энергий редки и могут указывать на то, что при столкновении протонов имело место какое-то очень интересное явление (например, распад хиггсовского бозона на два фотона, который будет очень важным для поиска легкого хиггсовского бозона). Нейтральные пи-мезоны, наоборот, рождаются в изобилии и в подавляющем большинстве случаев никакой особо интересной информации не несут.

В обычном электромагнитном калориметре эти две ситуации различить трудно, поскольку единичный фотон и пара близких фотонов порождают схожие ливни. Поэтому в торцевых сегментах CMS, непосредственно перед электромагнитным калориметром, установлен тонкий слой специального предливневого детектора фотонов (preshower). Этот детектор сделан по технологии кремниевых полосковых детекторов, поэтому размер чувствительной ячейки в нём составляет всего два миллиметра (против кристаллов с поперечным сечением 3 на 3 см в электромагнитном калориметре). Два фотона, разделенные несколькими миллиметрами, удается различить в предливневом детекторе как две отдельные частицы.

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.

На сайте CMS приводится интересная история о том, как в подмосковной Дубне изготавливались торцевые сегменты адронных калориметров. Для поглощающих пластинок требовался достаточно прочный материал, способный долго держать сильное механическое напряжение. Выбор инженеров остановился на латуни, однако латунь высокого качества была для тех времен (1990-е годы) слишком дорогой. Один из специалистов вспомнил, что ему в свое время приходилось сталкиваться с расчетами прочности латунных гильз для снарядов Балтийского флота. Оказалось, что на складах ВМФ действительно имеются неиспользованные запасы орудийных гильз из высококачественной латуни. Было получено разрешение на их переплавку, и в результате около миллиона гильз пошло на создание поглотителей для адронного калориметра CMS. Подробнее об этой истории см. на сайте ОИЯИ в Дубне.

Мюонная система

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.

Коллаборация

По состоянию на июнь 2008 года коллаборация CMS насчитывала 3000 ученых и инженеров, работающих над созданием и работой детектора. В подготовке и проведении эксперимента участвуют 183 института из 38 стран мира. Вклад российских институтов в создание различных компонентов детектора CMS показан на рис. 8.

Дополнительная литература:

• Официальные сайты детектора: технический сайт CMS, публичные страницы CMS.
• CMS Times — новости детектора.
• USCMS — сайт американской команды, участвующей в эксперименте CMS.
• CMS Timeline — хронология создания детектора.

Детекторный комплекс CMS

Детекторный комплекс (детектор) CMS (Compact Muon Solenoid − Компактный мюонный соленоид) − один из двух больших универсальных детекторов на LHC. В коллаборацию CMS входят 183 лабораторий и университетов из 38 стран, включая Россию. Длина детектора − 25 м, диаметр − 15 м.  CMS «компактнее» другого большого детектора на LHC − ATLAS (длина 43 м, диаметр 22 м). CMS имеет огромный и мощный сверхпроводящий магнит (~4 Тесла), охватывающий трекер и калориметры, и огромный объем кремниевого трекера с радиусом 1.2 м. ATLAS имеет менее мощный магнит (2 Tл), кремниевый трекер с радиусом 0.5 м и  трекер переходного излучения с радиусом 1.2 м.  Из-за своего магнита, CMS очень тяжелый − 15000 тонн. ATLAS весит «всего» 7000 тонн. У CMS кристаллический электромагнитный калориметр (PbW04) с хорошим энергетическим разрешением. ATLAS оснащен сильно гранулированным калориметром с жидким аргоном (LAr) с хорошим пространственным разрешением. Экспериментальные возможности CMS и ATLAS сравнимы. На CMS максимализировалось магнитное поле при минимализации размеров, на ATLAS наоборот.     Одной из основных задач, которые надеялись решить с помощью Большого адронного коллайдера, был поиск бозона Хиггса. Векторные бозоны распадаются или на кварковые, или лептонные пары. Однако из-за гигантского фона сильных процессов на адронном коллайдере, детектирование лептонного канала предпочтительно. В связи с этим, детектор LHC был преимущественно нацелен на детектирование лептонов.     CMS имеет «традиционную» структуру: трекер − калориметры − мюонные детекторы (рис. 1, 2). Рис.1. Детектор CMS. Рис. 2. Сечение детектора CMS. Магнит     Главная достопримечательность CMS − его магнит. Это самый большой сверхпроводящий магнит, который когда-либо создавался. У него есть «возвратное» ярмо, благодаря которому создается сильное магнитное поле снаружи барреля. В барреле находятся трекеры и калориметры, снаружи − мюонные детекторы. Когда мюоны попадают во внешнюю область, они под действием магнитного поля ярма отклоняются в обратную сторону (см. рис. 2). Ярмо служит также фильтром, пропуская только мюоны и слабо взаимодействующие частицы, в частности нейтрино.     Магнит поддерживается при температуре жидкого гелия. Трекинговая система Рис. 3. Схема пиксельного детектора.     Ближе всего к оси пучка расположен пиксельный детектор. В этой области поток частиц гигантский. Так на расстоянии 8 см от пучка, на 1 см2 площади приходится около 10 млн. частиц в секунду. Пиксельный детектор должен быть способен распутать и восстановить все треки, которые они оставляют, и выдерживать такую бомбардировку в течение длительного времени. Пиксельный детектор (рис. 3) состоит из трех цилиндрических слоев с радиусами 4, 7 и 11 см и содержит 65 млн. 100×150 мкм пикселей.   Рис. 4. Схема трекинговой системы.     На бóльших расстояниях от оси пучка, вплоть до радиуса 130 см, расположены десять слоев кремниевого полоскового детектора. Первые четыре слоя содержат полоски (стрипы) 10 см × 180 мкм, затем еще 6 слоев со стрипами 25 см × 180 мкм (рис. 4). Всего в полосковом детекторе около 10 миллионов стрипов, информация с которых считывается 80 тысячами каналов сбора данных. Полосковый детектор поддерживается при температуре –20°C.     Загрузка при полной светимости LHC по оценкам должна составить 1% для пиксельного трекера и 1-2% для полоскового.     Трекинговая система CMS − самый большой кремниевый детектор в мире. Общая площадь чувствительных кремниевых сенсоров более 200 м2. Это приблизительно как теннисный корт. Предливневый детектор     Одна из основных задач электромагнитного калориметра при поиске бозона Хиггса, регистрация высокоэнргетичных фотонов, которые возникают при его распаде. Однако, образующиеся π0-мезоны, имеющие малые времена жизни, также распадаются на фотоны и сигналы от двух фотонов могут суммироваться и имитировать фотоны от распада бозона Хиггса. Электромагнитный калориметр может не различить эти события. Для решения этой проблемы перед электромагнитным калориметром установлен предливневый детектор.     Предливневые детекторы расположены в торцах, где угол между направлениями двух фотонов распада π0-мезона может быть мал. Предливневый детектор представляет из себя два слоя свинцового поглотителя, между которыми расположены кремниевые сенсоры, похожие на сенсоры в трекере. Когда фотон проходит свинцовый поглотитель, он вызывает электромагнитный ливень, включающий в себя электрон-позитронные пары, которые детектируются в сенсоре. Отсюда извлекается энергия фотона. Так как в предливневом детекторе два слоя, можно определить координаты фотона. Когда «подозрительный» высокоэнергетичный фотон детектируется в электромагнитном калориметре, можно экстраполировать его трек в точку столкновения и оценить его вклад в отклик преливневого детектора, добавить этот вклад в отклик электромагнитного калориметра и сделать заключение был ли это действительно один высокоэнергетичный фотон или фотонная пара.     В каждом предливневом детекторе используется 18 м2 кремниевых полосковых детекторов. Каждый кремниевый сенсор размерами около 6.3см×6.3см×0.3мм разделен на 32 стрипа, образуя сетку в торцах, покрывая практически всю площадь торца электромагнитного калориметра. Это диск с отверстием диаметра 50 см в середине для трубопровода пучка. Диск имеет толщину всего 20 см, но в не вписаны два слоя поглотителя, два слоя сенсоров с электроникой, а также системы нагрева и охлаждения. Последнее необходимо, так как кремниевые детекторы должны работать пр температуре между -10oC и -15oC. Расположенный рядом электромагнитный калориметр с PbW04 очень чувствителен к температуре, которая должна поддерживаться с точностью 0.1oC. Таким образом, предливневый детектор должен холодным внутри и теплым снаружи.     Предливневый детектор имеет существенно лучшую гранулярность (стрипы шириной 2 мм), чем электромагнитый калориметр (кристалы шириной 3 см). Соответственно предливневый детектор способен различить отдельные фотоны из распада π0-мезона. Электромагнитный калориметр     После трекинговой системы и предливневого детектора находится электромагнитный калориметр.     Гомогенный электромагнитный калориметр детекторного комплекса CMS  содержит 76200 кристаллов вольфрамата свинца (PbW04) (рис. 5), 61200 – в цилиндрической части (барреле) и 15000 – на обоих  торцах. Размеры кристаллов 2.2×2.2×23 см в барреле и 3×3×22 см на торцах. Кристаллы находятся в матрицах из углеродного или стекловолокна, образуя так называемые модули супермодули и суперкристаллы. Рис. 5. Кристалл PbW04 с вакуумным фототриодом. Рис. 6. Электромагнитный калориметр CMS. Учитывая малую радиационную длину (0.89 см) и малый мольеровский радиус (2.19 см) PbW04, электромагнитные ливни неплохо умещаются в пределах одного кристалла. Калориметр находится в магнитном поле 4 Тл. Свет регистрируется лавинными фотодиодами (цилиндрическая часть калориметра) и вакуумными фототриодами (торцевая часть калориметра), устойчивыми к магнитному полю. Адронный калориметр Рис. 7. Компоненты калориметров CMS. EB и EE –цилиндрическая и торцевая части электромагнитного калориметра, HE и HB –цилиндрическая и торцевая части адронного калориметра, PS – предливневый детектор. Показана толщина в единицах ядерной длины λh при η = 0.    Адронный гетерогенный калориметр CMS состоит из центральной (HB), внешней (HO), торцевой (HE) и передней (HF) секций. HB и HE-калориметры находятся в поле соленоида. Секции HF – форвард-калориметры находятся на обоих концах CMS. HB-калориметр состоят из 36 отдельных «клиньев» каждая, каждый весом 26 тонн, плюс еще 36 клиньев чуть меньшего размера установлены на HE-калориметре. В HB и HE-калориметрах используется латунь. Полоски латуни толщиной 5 см используются в HB-калориметре и 8 см – в HE-калориметре. Они прослоены чувствительными ячейками пластического сцинтиллятора с общим числом 8 тысяч каналов считывания. Так как толщина HB-калориметра может оказаться недостаточной для поглощения адронного ливня, организован еще один – HO-калориметр. Для этого, после первого мюонного поглотителя установлены сцинтилляционные плитки. Таким образом был организован дополнительный адронный HO-калориметр.     Для того, чтобы увеличить диапазон по бсевдобыстротам η до 5, после после мюонных детекторов  установлены адронные форвард-калориметры (3 < η < 5. В качестве абсорбера в нем используются кварцевые волокна внедренные в стальную поглощающую матрицу. Под воздействием ультрарелятивистских частиц в кварце генерируется черенковское излучение, которое регистрируется ФЭУ.     Световые сигналы от сцинтилляторов считывается светопреобразующими волокнами а затем по оптическим волокнам передаются фотодетекторам. Установленные на CMS гибридные фотодиоды (HB, HO, HE) постепенно заменяют на микропиксельные лавинные фотодиоды. Мюонные детекторы Рис. 8. Продольное сечение одного квадранта детектора CMS. Расположение мюонных детекторов.     Само название «Компактный мюонный соленоид» говорит о том, что детектирование мюонов на CMS – одна из основных его задач. Почти все известные частицы, кроме мюонов и нейтрино, останавливаются в калориметрах. Так что после калориметров только мюоны могут производить сигналы в детекторах. Поэтому мюонные детекторы устанавливаются в самом конце детекторного комплекса (рис. 1, 2).     Для идентификации мюонов и измерения их импульсов на CMS используются детекторы трех типов: дрейфовые трубки, катодные полосковые камеры и камеры с резистивными пластинами (рис. 8). Дрейфовые трубки (DT) и катодные полосковые камеры (CSC) используются для прецизионного измерения треков,  DT – в центральной цилиндрической области, CSC  – на торцах. Камеры с резистивными пластинами (RPC) позволяют точно засекать момент, когда мюон проходит через мюонный детектор. Они установлены как в цилиндрической части (барреле), так и на торцах. Дрейфовые трубки     Мюонная система DT содержит 250 дрейфовых трубок шириной 42 мм. Трубки наполнены газом (85% Ar + 15% CO2 ) и в них протянуты проволоки (аноды), которые находятся под положительны напряжением (рис. 9). Состав газа и электронная оптика трубки оптимизированы так, чтобы обеспечить линейную зависимость времени дрейфа от расстояния. Из четырех слоев параллельно расположенных дрейфовых трубок формируется суперслой (superlayer) (рис. ). Рис. 9. Схема дрейфовой трубки. Напряжение на электродах +3600 В, анодах +1800 В, катодах -1200 В. Верхние и нижние алюминиевые пластины заземлены. Рис. 10. Суперслой из четырех слоев, расположенных в шахматном порядке. Из суперслоев формируются камеры. Камера (2м×2.5м) состоит из двух суперслоев для измерения r-φ координат и перпендикулярного к ним одного суперслоя для измерения r-Z координат (рис. 11). Камеры находятся в пяти кольцах, каждое из которых состоит и 12 секторов. В секторе одна камера находится внутри ярма, две − встроены в ярмо, одна − вне ярма (рис. 12). Рис. 11. Схема камеры. Рис. 12. Сечение барреля.     При прохождении через дрейфовую трубку заряженной частицы (мюоны) образуются свободные электроны, которые дрейфуют к аноду. Для определения координат частицы в CMS используются два алгоритма. Один из них базируется на приближении постоянной скорости дрейфа электронов. Тогда расстояние х, которое пролетел электрон будет x = vdrift·tdrift, где vdrift·и tdrift − скорость и время дрейфа, которые определяются в результате калибровки. Катодные полосковые камеры Рис. 13. Катодная стриповая камера.     Катодные полосковые (стриповые) камеры (рис. 13) это многопроволочные пропорциональные камеры, которые состоят из шести плоскостей анодных проволочек и, перпендикулярно к ним расположенных, семи плоскостей катодных стрипов. Катодные стрипы имеют трапециодальную форму (Δφ = const). В камерах используется газовая смесь(40% Ar + 50% CO2 + 10% CF4).     При пролете мюонов через камеру, из атомов газа выбиваются электроны, которые стекаются к анодным проволокам, создавая электронную лавину. Лавина вокруг анода индуцирует заряды на катодных стрипах (см. рис. 14). Распределение заряда на катодных стрипах имеет полную ширину на половине высоты приблизительно в полтора раза бóлшую чем расстояние между анодом и катодом. Так как проволоки и стрипы перпендикулярны, с катодных полосковых камер снимается двумерная пространственная информация.   Катодные полосковые камеры обеспечивают измерение φ-координаты мюонных треков с точностью до ~100 мкм. Временное разрешение порядка наносекунд. Рис. 14. Электронная лавина и индуцированный на катодных стрипах заряд.     Всего система CSC включает более 500 мюонных камер, которые содержат около 2.5 миллионов проволок, сгруппированных в ~211 000 анодных каналов считывания. Кроме того, имеется ~270 000 катодных каналов.     Из катодные полосковых камер формируются мюонные станции (ME1-ME4) (см. рис.8 ). Полная площадь, покрываемая катодными полосковыми камерами, составляет приблизительно 1000 м2. Камеры с резистивными пластинами Рис. 15. Схема двухзазорной камеры с резистивными пластинами.     На CMS установлены двухзазорные камеры с резистивными пластинами, работающими в лавинном режиме. Основная их задача − служить быстрыми триггерами для мюонной системы. Время между последовательными пересечениями банчей LHC 25 нс. Малое время отклика (~нс) RPC позволяет однозначно связать конкретное событие пересечения банчей с мюонным треком в условиях высокой загрузки и большого фона, характерных для LHC. Сигналы с RPC обеспечивают измерение времени и координат (Δx ~ 1 см) с точностью достаточной, чтобы эффективно производить отбор интересующих событий в условиях, когда потоки могут достигать 103 Гц/см2.     Модуль RPC (рис. 15) содержит 4 диэлектрические пластины (бакелит), толщиной 2 мм каждая. Между ними − два газовых (C2H2F4 + iso-C4H10 + SF6) промежутка толщиной 2 мм. Бакелитовые пластины служат электродами. Считывание сигнала осуществляется стрипами, которые расположены между парами бакелитовых пластин.     Когда мюон пролетает через газовый промежуток, в нем возникает электронная лавина, которая попадая на анод индуцирует заряд на считывающем стрипе. Так как бакелитовые аноды расположены по обеим сторонам стрипов, сигналы суммируются.     RPC расположены как в цилиндрической, так и в торцевой части детектора (см. рис. 8). В цилиндрической части детектора камеры с резистивными пластинами установлены в виде 6 коаксиальных цилиндров, окружающих ось пучка. Они расположены параллельно модулям дрейфовых трубок. В торцевой части эти камеры размещены на 3-х параллельных дисках. Камеры выполнены в форме трапеций и перекрываются по азимутальному углу, обеспечивая непрерывное покрытие.     В состав детекторного комплекса CMS входит также калориметр CASTOR. Литература Игорь Иванов. Детектор CMS Lucas Taylor. Detector CMS The CMS experiment at the CERN LHC CMS Physics. Technical Design Report. Volume I: Detector Performance and Software Paoti Chang. The CMS Detector. Marcos Fernández García. CMS Muon System Status Offline calibration procedure of the CMS Drift Tube detectors Darin Acosta. Muon Detectors in CMS Maria Monica Necchi. Resistive Plate Chambers: from high energy physics to biomedical applications Christian Lippmann. Detector Physics of Resistive Plate Chambers Resistive plate chambers

Детектор | CMS Experiment

О CMS

Большой адронный коллайдер (LHC) длиной 27 км является самым большим и мощным ускорителем частиц из когда-либо построенных. Он разгоняет протоны почти до скорости света — по часовой стрелке и против часовой стрелки — и затем сталкивается с ними в четырех местах вокруг своего кольца. В этих точках энергия столкновения частиц превращается в массу, разбрасывая частицы во всех направлениях.

Детектор компактного мюонного соленоида (или CMS) находится в одной из этих четырех точек столкновения. Это детектор общего назначения; то есть он предназначен для наблюдения за любыми новыми физическими явлениями, которые может выявить БАК.

CMS действует как гигантская высокоскоростная камера, делающая трехмерные «фотографии» столкновений частиц со всех сторон до 40 миллионов раз в секунду. Хотя большинство частиц, образующихся при столкновениях, являются «нестабильными», они быстро превращаются в стабильные частицы, которые могут быть обнаружены с помощью CMS. Идентифицируя (почти) все стабильные частицы, образующиеся при каждом столкновении, измеряя их импульсы и энергии, а затем собирая воедино информацию обо всех этих частицах, как собирая кусочки головоломки, детектор может воссоздать «изображение» столкновения. для дальнейшего анализа.

Как работает CMS

14 000-тонный детектор получил свое название благодаря тому факту, что:

• при высоте 15 метров и длине 21 метр он действительно довольно компактен, для всего содержащегося в нем детекторного материала;
• предназначен для очень точного обнаружения частиц, известных как мюонов ; и
• у него самый мощный соленоид из когда-либо созданных магнитов.

Детектор CMS имеет форму цилиндрической луковицы с несколькими концентрическими слоями компонентов. Эти компоненты помогают подготовить «фотографии» каждого события столкновения, определяя свойства частиц, образующихся при этом конкретном столкновении. Это делается:

1. Сгибание частиц

Мощный магнит необходим для сгибания заряженных частиц, когда они вылетают из точки столкновения. Изгиб траекторий частиц служит двум целям:

1. Он помогает определить заряд частицы: положительно и отрицательно заряженные частицы изгибаются в противоположных направлениях в одном и том же магнитном поле.
2. Позволяет измерить импульс частицы: в одинаковом магнитном поле частицы с большим импульсом изгибаются меньше, чем с малым.

Соленоидный магнит , давший название CMS, состоит из цилиндрической катушки из сверхпроводящих волокон. Когда электричество (18 500 ампер!) циркулирует внутри этих катушек, они не встречают сопротивления — магия сверхпроводимости! — и может генерировать магнитное поле около 4 тесла, что примерно в 100 000 раз превышает силу магнитного поля Земли. Это сильное магнитное поле должно ограничиваться объемом детектора и создается стальным «ярмом», составляющим основную часть массы детектора. Магнитные катушки и его возвратное ярмо весят 12 500 тонн, что на сегодняшний день является самым тяжелым компонентом CMS!

Этот соленоид является самым большим из когда-либо созданных магнитов такого типа и позволяет размещать трекер и калориметры (см. ниже) внутри катушки, в результате чего детектор становится в целом «компактным» по сравнению с детекторами аналогичного веса.

[Подробнее о нашем соленоиде]

2. Идентификация дорожек

Простого искривления частиц недостаточно — CMS должна с очень высокой точностью идентифицировать траектории этих искривленных заряженных частиц. Это делается с помощью кремниевого трекера, состоящего примерно из 75 миллионов отдельных электронных датчиков, расположенных концентрическими слоями. Когда заряженная частица пролетает через слой трекера, она электромагнитным образом взаимодействует с кремнием и производит удар — эти отдельные удары затем можно объединить вместе, чтобы идентифицировать траекторию пролетающей частицы.

[Подробнее о Трекере и его компонентах]

3. Измерение энергии

Информация об энергии различных частиц, возникающих при каждом столкновении, имеет решающее значение для понимания того, что произошло в точке столкновения. Эта информация собирается с двух видов «калориметров» в CMS. Электромагнитный калориметр (ECAL) представляет собой внутренний слой из двух и измеряет энергию электронов и фотонов, полностью останавливая их. Адроны, составные частицы, состоящие из кварков и глюонов, пролетают через ECAL и останавливаются внешним слоем, называемым адронным калориметром (HCAL).

[Подробнее о ECAL] / [Подробнее о HCAL]

4. Обнаружение мюонов

Последняя частица, которую CMS наблюдает напрямую, — это мюон. Мюоны принадлежат к тому же семейству частиц, что и электрон, хотя они примерно в 200 раз тяжелее. Они не останавливаются калориметрами, поэтому необходимо построить специальные вспомогательные детекторы, чтобы обнаружить их, когда они пересекают CMS. Эти поддетекторы чередуются с обратным ярмом соленоида. Большой магнит CMS также позволяет нам измерять импульс каждого мюона как внутри сверхпроводящей катушки (с помощью устройств слежения), так и вне ее (с помощью мюонных камер).

[Читать о различных мюонных поддетекторах CMS]

Необычной особенностью детектора CMS является то, что вместо того, чтобы строиться на месте, как другие гигантские детекторы экспериментов LHC, он был построен из 15 секций на земле. уровень перед тем, как его опустили в подземную пещеру недалеко от Сесси во Франции, а затем снова собрали. Инженеры обнаружили, что строительство секций над землей, а не в пещере со всеми ее проблемами доступа и безопасности, сэкономило драгоценное время. Другой важный вывод заключался в том, что субдетекторы должны быть более легкодоступными, чтобы упростить и ускорить их техническое обслуживание.

Таким образом, CMS был спроектирован в виде пятнадцати отдельных секций или «срезов», которые были построены на поверхности и в готовом виде спущены в пещеру. Возможность параллельно работать над раскопками пещеры и созданием детектора сэкономила драгоценное время. Такая нарезка, наряду с тщательным проектированием кабелей и трубопроводов, также гарантирует, что секции можно полностью открывать и закрывать с минимальными нарушениями, а каждая часть остается доступной в пещере.

Эти соображения, наряду с уникальными условиями БАК, повлияли на конструкцию каждого слоя детектора.

Посмотреть детектор CMS в 3D

Загрузите мобильное приложение Alaro и отсканируйте фото ниже. Найдите инструкции о том, как это сделать здесь. Вы также можете распечатать эту фотографию отсюда и отсканировать ее аналогичным образом.

Модернизация детектора CMS для дальнейшего анализа

Войти

Добро пожаловать! Войдите в свою учетную запись

ваше имя пользователя

ваш пароль

Забыли свой пароль?

Политика конфиденциальности

Восстановление пароля

Восстановите пароль

ваш адрес электронной почты

Поиск

Главная Расширение анализа физики элементарных частиц с помощью обновлений детектора CMS

Группа экспериментальной физики элементарных частиц в Корнелльском университете занимается исследованиями и модернизацией на БАК детектора CMS.

Экспериментальная группа по физике элементарных частиц из Корнеллской лаборатории науки и образования на ускорителях (CLASSE) сотрудничает с группами со всего мира, чтобы помочь построить и использовать детектор компактного мюонного соленоида (CMS) для анализа данных, полученных Это. Команда, состоящая в настоящее время из пяти преподавателей, примерно десяти аспирантов, пяти исследователей с докторской степенью и нескольких студентов бакалавриата, отвечает за эксплуатацию и техническое обслуживание детектора пикселей и его будущих обновлений, а также за определенные части программного обеспечения CMS. Усилия группы по анализу данных включают исследования бозона Хиггса, измерения высших кварков и поиск частиц, выходящих далеко за рамки стандартной модели 9.0005

Большой адронный коллайдер и эксперимент CMS

Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе — это коллайдер частиц с самой высокой энергией в мире. Он сталкивается с пучками протонов с энергией центра масс 13,6 ТэВ. Эта энергия примерно в 14 500 раз больше энергии покоя протона. Частицы, образующиеся при протон-протонных столкновениях, изучаются детектором CMS. CMS — это многоцелевой детектор, способный реконструировать широкий спектр частиц, что позволяет изучать, например, бозоны Хиггса, топ-кварки, а также бозоны W и Z.

Бозон Хиггса

Наиболее важным результатом физической программы LHC было наблюдение бозона Хиггса в экспериментах CMS и ATLAS в 2012 году. В Стандартной модели физики элементарных частиц бозон Хиггса отвечает за создание массы частицы. Это дает бозону Хиггса уникальное свойство связи с другими частицами, пропорциональное массе частицы. Мы можем проверить Стандартную модель, за которую отвечает Хиггс, измерив связь частицы с бозоном Хиггса и сравнив ее с массой частицы.

Высокосветящийся LHC

Бозон Хиггса был последней открытой частицей Стандартной модели и одной из наименее изученных фундаментальных частиц. Одним из важнейших направлений исследований в физике элементарных частиц является изучение свойств бозона Хиггса. В Корнелле мы участвуем в анализе данных CMS, чтобы изучить свойства бозона Хиггса, ограничивающие любые отклонения от Стандартной модели.

Однако для этого требуется очень большая выборка бозонов Хиггса для анализа. ЦЕРН модернизирует БАК до БАК высокой светимости, который будет производить больше бозонов Хиггса в год, вызывая больше протон-протонных столкновений. Это позволит более детально изучить бозон Хиггса и другие частицы, чем это было возможно на сегодняшний день.

Модернизация детектора для CMS

В связи с увеличением частоты протон-протонных столкновений на HL-LHC детектор CMS необходимо модернизировать, чтобы он мог работать с более высокой скоростью передачи данных и выживать в интенсивной радиационной среде.

В CLASSE мы возглавляем усилия Национального научного фонда США по модернизации детектора CMS. В этом проекте участвуют около 30 университетов США, и он обеспечит ключевые обновления детектора CMS для операций HL-LHC, начало которых запланировано на 2029 год.