Үлкен адрон коллайдеріндегі жалпы мақсатты эксперимент

Кіріспе

Үлкен адрондық коллайдердегі жалпы мақсаттағы эксперимент

Компактты мюонды соленоид (CMS) эксперименті – Швейцария мен Франциядағы CERN-дегі Үлкен адрондық коллайдерде (LHC) салынған екі ірі жалпы мақсаттағы бөлшектер физикасы детекторының бірі. CMS экспериментінің мақсаты – физиканың кең ауқымын зерттеу, оның ішінде Хиггс бозонын, қосымша өлшемдерді және қара материяны құрайтын бөлшектерді іздеу. CMS-тың ұзындығы 21 метр, диаметрі 15 метр, салмағы шамамен 14 000 тонна. Детекторды құраған және қазір оны пайдаланатын CMS ынтымақтастығын 206 ғылыми институттың және 47 елдің 4000-нан астам маманы құрайды. Ол Франциядағы Женева шекарасының ар жағында орналасқан Сесси үңгірінде орналасқан. 2012 жылдың шілдесінде ATLAS-пен бірге CMS Хиггс бозонын алғашқы рет анықтады. 2013 жылдың наурызында оның бар екені расталды.

Өмірбаян

Соңғы жылдарығы коллайдер эксперименттері, мысалы, қазірде бөлшектелген Үлкен электрон-позитрон коллайдері және ЦЕРН-дегі жаңадан жаңартылған Үлкен адрон коллайдері (LHC), сондай-ақ (2011 жыл қазан айына дейін) Фермилабта жақында жабық Теватрон, бөлшектер физикасының Стандартты моделіне құнды түсініктер берді және оның дәлдігін тексеруге мүмкіндік берді. Бұл эксперименттердің (әсіресе LHC) маңызды жетістігі – Стандартты модельге сәйкес келетін Хиггс бозонының табылуы. Бұл Хиггс механизмінен туындаған бөлшек, ол элементар бөлшектердің массасын түсіндіруге көмектеседі. Дегенмен, болашақ коллайдер эксперименттері шешуді үміттенеді әлі де көптеген сұрақтар бар. Оларға Стандартты модельдің жоғары энергиядағы математикалық қасиеттеріндегі белгісіздіктер, қара материяның ұсынылған теорияларын тексеру (суперсимметрияны қоса алғанда) және Әлемде байқалған материя мен антиматерия арасындағы тепе-теңсіздіктің себептері кіреді.

Детектордың жиынтығы

CMS жалпы мақсаттағы детектор ретінде жобаланған, ол 0,9–13,6 ТэВ энергиясындағы протондық соқтығысулардың көптеген аспектілерін зерттеуге қабілетті, бұл LHC бөлшектер үдеткішінің орталық массалық энергиясы. CMS детекторы үлкен соленоидтық магниттің айналасында салынған. Бұл суперөткізгіш кабельден жасалған цилиндрлік орам түрінде болады және 4 Тесла магнит өрісін тудырады, бұл Жердің магнит өрісінен 100 000 есе артық. Магнит өрісі 12 500 тонна салмақты құрайтын болаттан жасалған «жұмыртқа» арқылы шектелген. CMS детекторының ерекшелігі – LHC эксперименттерінің басқа алып детекторлары сияқты жер астында салынбаған, ал жер үстінде 15 бөлікке құрастырылып, содан кейін жер астына түсірілген. Онда фотондардың, электрондардың, мюондардың және соқтығысулардың басқа да өнімдерінің энергиясын және импульсін өлшеуге арналған жүйелер бар. Ішкі қабаты кремний негізді трекер. Оны қоршап тұрған сцинтилляциялық кристалды электромагниттік калориметр, ал оның ішінде адрондық сынама калориметрі орналасқан. Трекер және калориметрия 3,8 Т күшті магнит өрісін тудыратын CMS соленоидіне сыйымды. Магниттің сыртында үлкен мюон детекторлары орналасқан, олар магниттің қайтару иығының ішінде орналасқан.

Қабаттар бойынша CMS

CMS детекторының толық техникалық ерекшеліктері туралы мәліметтерді Техникалық жобалау есебінен көруге болады.

Қарым-қатынас нүктесі

Бұл детектордың ортасындағы нүкте, онда LHC-тің екі қарсы айналатын сәулелері арасында протон-протон соқтығысуы жүзеге асады. Детектор магниттерінің әр шетінде сәулелер өзара әрекеттесу нүктесіне шоғырландырылады. Соқтығысу кезінде әрбір сәуленің радиусы 17 мкм, ал сәулелердің қиылысу бұрышы 285 мкмrad құрайды. Толық жобалық жарықтандыруда LHC-тің әрбір сәулесінде 1,15 протоннан тұратын 2808 шоғыр болады. Шоғырлар арасындағы интервал 25 нс-қа тең, бірақ инжекторлық магниттердің қосылуы мен өшірілуіне байланысты сәуледегі үзілістердің салдарынан секундтық соқтығысу саны 31,6 миллион ғана. Толық жарықтандыру кезінде әрбір соқтығысу орташа есеппен 20 протон-протон өзара әрекеттесуін тудырады. Соқтығысулар 8 ТэВ-қа тең массалық энергия орталығында жүзеге асады. Алайда, электрожұқ жүйесіндегі физиканы зерттеу үшін шашырау оқиғалары әрбір протоннан бір кварк немесе глюон арқылы басталады, сондықтан әрбір соқтығысуға қатысатын нақты энергия төмен болады, себебі жалпы массалық энергия орталығы осы кварктар мен глюондарға бөлінеді (бөлшектердің таралу функцияларымен анықталады). 2008 жылдың қыркүйек айында өткен алғашқы сынақ 10 ТэВ төмен соқтығысу энергиясында жұмыс істеуі күтілген, бірақ 2008 жылдың 19 қыркүйегіндегі тоқтату салдарынан бұл мүмкін болмады. Осы мақсатты деңгейде LHC-тің жарықтандыруы айтарлықтай төмендейді, себебі әрбір сәуледегі протондық шоғырлардың саны және әрбір шоғырдағы протондардың саны азаяды. Азайтылған шоғыр жиілігі, шоғырлар тәжірибелік сәуле түтігінде екінші соқтығысулардың пайда болуын болдырмау үшін жеткілікті арақашықтықта орналасқандықтан, қиылысу бұрышын нөлге дейін азайтуға мүмкіндік береді.

1- қабат Трекер

Бөлшектердің импульсі соқтығысудың ортасындағы оқиғалардың картинасын құруға көмектеседі. Бөлшектің импульсін есептеудің бір жолы – оның магнит өрісі арқылы қозғалысын қадағалау; қозғалыс жолы неғұрлым қисық болса, бөлшектің импульсі соғұрлым төмен болады. CMS трекері зарядталған бөлшектердің бірнеше маңызды нүктелердегі орналасуын анықтап, олардың қозғалыс жолдарын тіркейді. Трекер жоғары энергиялы мюондардың, электрондардың және адронның (кварктардан тұратын бөлшектер) жолдарын қайта құра алады, сондай-ақ зат пен антиматерия арасындағы айырмашылықтарды зерттеу үшін қолданылатын әсемдік немесе "b кварктар" сияқты өте қысқа ғұмырлы бөлшектердің ыдырауынан туындаған жолдарды көре алады. Трекер бөлшектердің жолдарын дәл тіркеуі керек, бірақ бөлшектерге мүмкіндігінше аз әсер ету үшін жеңіл болуы тиіс. Ол мұны бірнеше өлшем нүктесін қолдана отырып, жолдарды сенімді түрде қалпына келтіруге мүмкіндік беретін дәлдікпен істейді. Әрбір өлшем 10 мкм дейін дәл, яғни адам шашының енінен бір бөлік. Бұл детектордың ең ішкі қабаты болып табылады, сондықтан ең көп бөлшектерді қабылдайды: сондықтан құрылыс материалдары сәулеленуге төзімді болу үшін мұқият таңдалды. CMS трекері толығымен кремнийден жасалған: детектордың өзегіндегі пиксельдер, ең жоғары бөлшектер қарқынына тоқталып, оларды қоршап тұрған кремний микрожолақты детекторлар. Бөлшектер трекер арқылы өтетін кезде пиксельдер мен микрожолақтар кішкентай электр сигналдарын тудырады, олар күшейтіліп, анықталады. Трекер теннис корты сияқты ауданды қамтитын 75 миллион жеке электрондық оқу арналарына ие сенсорларды қолданады: пиксель детекторында бір шаршы сантиметрге 6000-ға жуық қосылым бар. CMS кремний трекері орталық аймақта 14 қабаттан және шеттік бөліктерде 15 қабаттан тұрады. Ішкі төрт қабат (16 см радиусқа дейін) 100 × 150 мкм пикселдерден тұрады, барлығы 124 миллион. Пиксель детекторы 2017 жылы CMS-тің 1-ші кезеңінің жаңартуының бөлігі ретінде жаңартылды, ол баррельге және шеттік бөлікке қосымша қабат қосты және ең ішкі қабатты сәуле жолына 1,5 см жақындатты. Келесі төрт қабат (55 см радиусқа дейін) 10 см × 180 мкм кремний жолақтарынан тұрады, содан кейін радиусы 1,1 м болатын қалған алты қабат 25 см × 180 мкм жолақтарынан тұрады. Барлығы 9,6 миллион жолақ арнасы бар. Толық жарқылы соқтығыстар кезінде пиксель қабаттарының бір оқиғаға шаққандағы толуы 0,1%, ал жолақ қабаттарында 1–2% болады деп күтіледі. Күтілетін HL LHC жаңартуы өзара әрекеттесулер санын осы деңгейге дейін арттырады, онда тым толу жолдарды табу тиімділігін айтарлықтай төмендетеді. Трекердің өнімділігі мен сәулеленуге төзімділігін арттыру үшін жаңарту жоспарлануда. Детектордың бұл бөлігі әлемдегі ең үлкен кремний детекторы болып табылады. Оның 205 м² кремний сенсорлары бар (шамамен теннис кортының ауданы), 9,3 миллион микрожолақты сенсорлар 76 миллион арнаны құрайды.

Momentum of particles is crucial in helping us to build up a picture of events at the heart of the collision. One method to calculate the momentum of a particle is to track its path through a magnetic field; the more curved the path, the less momentum the particle had. The CMS tracker records the paths taken by charged particles by finding their positions at a number of key points. The tracker can reconstruct the paths of high energy muons, electrons and hadrons (particles made up of quarks) as well as see tracks coming from the decay of very short lived particles such as beauty or "b quarks" that will be used to study the differences between matter and antimatter. The tracker needs to record particle paths accurately yet be lightweight so as to disturb the particle as little as possible. It does this by taking position measurements so accurate that tracks can be reliably reconstructed using just a few measurement points. Each measurement is accurate to 10 μm, a fraction of the width of a human hair. It is also the inner most layer of the detector and so receives the highest volume of particles: the construction materials were therefore carefully chosen to resist radiation. The CMS tracker is made entirely of silicon: the pixels, at the very core of the detector and dealing with the highest intensity of particles, and the silicon microstrip detectors that surround it. As particles travel through the tracker the pixels and microstrips produce tiny electric signals that are amplified and detected. The tracker employs sensors covering an area the size of a tennis court, with 75 million separate electronic read out channels: in the pixel detector there are some 6,000 connections per square centimetre. The CMS silicon tracker consists of 14 layers in the central region and 15 layers in the endcaps. The innermost four layers (up to 16 cm radius) consist of 100 × 150 μm pixels, 124 million in total. The pixel detector was upgraded as a part of the CMS phase 1 upgrade in 2017, which added an additional layer to both the barrel and endcap,
and shifted the innermost layer 1.5 cm closer to the beamline. The next four layers (up to 55 cm radius) consist of 10 cm × 180 μm silicon strips, followed by the remaining six layers of 25 cm × 180 μm strips, out to a radius of 1.1 m. There are 9.6 million strip channels in total. During full luminosity collisions the occupancy of the pixel layers per event is expected to be 0.1%, and 1–2% in the strip layers. The expected HL LHC upgrade will increase the number of interactions to the point where over occupancy would significantly reduce track finding effectiveness. An upgrade is planned to increase the performance and the radiation tolerance of the tracker. This part of the detector is the world's largest silicon detector. It has 205 m2 of silicon sensors (approximately the area of a tennis court) in 9.3 million microstrip sensors comprising 76 million channels.

2-қабат Электромагниттік калориметр

Электромагниттік калориметр (ECAL) электрондар мен фотондардың энергиясын жоғары дәлдікпен өлшеуге арналған. ECAL қорғасын вольфраматының, PbWO4 кристалдарынан жасалған. Бұл өте тығыз, бірақ оптикалық тұрғыдан таза материал, жоғары энергиялы бөлшектерді тоқтатуға өте қолайлы. Қорғасын вольфрамды кристалл негізінен металдан жасалады және тот баспайтын болаттан ауыр, бірақ осы кристалл түріндегі оттегімен ол өте мөлдір және электрон мен фотондар өткенде сцинтилляциялайды. Бұл дегеніміз, ол бөлшектің энергиясына пропорционалды жарық шығарады. Бұл жоғары тығыздықтағы кристалдар жылдам, қысқа, анықталған фотондық импульстарда жарық шығарады, бұл дәл, жылдам және салыстырмалы түрде ықшам детектор жасауға мүмкіндік береді. Оның сәулелену ұзындығы χ0 = 0,89 см, және жарық шығару жылдамдығы жоғары, жарық шығарудың 80% -ы бір өту уақыты ішінде (25 нс) пайда болады. Бірақ бұл, кіріс энергиясының әрбір MeV-ы үшін 30 фотоннан тұратын салыстырмалы түрде төмен жарық шығарумен теңестіріледі. Қолданылатын кристалдардың алдыңғы жағы 22 мм × 22 мм, ал тереңдігі 230 мм. Олар оптикалық оқшаулау үшін көміртек талшығынан жасалған матрицаға орналастырылған және оқу үшін кремнийлі лавиналық фотодиодтармен жабдықталған. ECAL, барабан бөлімінен және екі "соңышқы қақпақтан" тұрады, тракер мен HCAL арасындағы қабатты құрайды. Цилиндр тәрізді "барабан" 36 "супермодульге" бөлінген 61 200 кристалдан тұрады, олардың әрқайсысының салмағы шамамен үш тонна және құрамында 1700 кристалл бар. ECAL-дың екі шетіндегі жалпақ "соңышқы қақпақтар" барабанды екі жағынан да жабады және тағы 15 000-ға жуық кристалдан тұрады. Қосымша кеңістіктік дәлдік үшін ECAL соңышқы қақпақтардың алдында орналасқан душ алдындағы детекторларды қамтиды. Бұл CMS-ке жоғары энергиялы фотондарды (көбінесе қызықты физиканың белгілері) және аз қызықты, төмен энергиялы фотондардың жақын жұптарын ажыратуға мүмкіндік береді. Соңышқы қақпақтарда ECAL-дың ішкі беті душ алдындағы субдетектормен жабылған, ол екі қабат қорғасыннан және екі қабат кремнийлі жолақты детекторлардан тұрады. Оның мақсаты – пиондар мен фотондарды ажыратуға көмектесу.

The Electromagnetic Calorimeter (ECAL) is designed to measure with high accuracy the energies of electrons and photons. The ECAL is constructed from crystals of lead tungstate, PbWO4. This is an extremely dense but optically clear material, ideal for stopping high energy particles. Lead tungstate crystal is made primarily of metal and is heavier than stainless steel, but with a touch of oxygen in this crystalline form it is highly transparent and scintillates when electrons and photons pass through it. This means it produces light in proportion to the particle's energy. These high density crystals produce light in fast, short, well defined photon bursts that allow for a precise, fast and fairly compact detector. It has a radiation length of χ0 = 0.89 cm, and has a rapid light yield, with 80% of light yield within one crossing time (25 ns). This is balanced however by a relatively low light yield of 30 photons per MeV of incident energy. The crystals used have a front size of 22 mm × 22 mm and a depth of 230 mm. They are set in a matrix of carbon fibre to keep them optically isolated, and backed by silicon avalanche photodiodes for readout. The ECAL, made up of a barrel section and two "endcaps", forms a layer between the tracker and the HCAL. The cylindrical "barrel" consists of 61,200 crystals formed into 36 "supermodules", each weighing around three tonnes and containing 1,700 crystals. The flat ECAL endcaps seal off the barrel at either end and are made up of almost 15,000 further crystals. For extra spatial precision, the ECAL also contains pre shower detectors that sit in front of the endcaps. These allow CMS to distinguish between single high energy photons (often signs of exciting physics) and the less interesting close pairs of low energy photons. At the endcaps the ECAL inner surface is covered by the pre shower subdetector, consisting of two layers of lead interleaved with two layers of silicon strip detectors. Its purpose is to aid in pion photon discrimination.

3-қабат Адронды калориметр

Хадрон калориметрі (HCAL) кварктар мен глюондардан (мысалы, протондар, нейтрондар, пиондар және каондар) құралған бөлшектер, яғни адрондардың энергиясын өлшеуге арналған. Сонымен қатар, ол нейтрино сияқты өзара әрекеттеспейтін, зарядталмаған бөлшектердің болуын жанама түрде анықтауға мүмкіндік береді. HCAL гибридті фотодиодтар арқылы толқын ұзындығын өзгертетін талшықтармен оқылатын пластикалық сцинтилляторлардың плиткалары мен тығыз материалдың (латунь немесе болат) қабаттарынан тұрады. Бұл комбинация магнит орамасының ішінде максималды мөлшердегі сіңірілетін материалды орналастыру үшін таңдалған. Жоғары псевдожылдамдық аймағын Хадрондық Алға (HF) детекторы өлшейді. Өзара әрекеттесу нүктесінен екі жағында 11 метр қашықтықта орналасқан бұл детектор, тығыз алға аймақта бөлшектерді жақсырақ ажыратуға мүмкіндік беретін, болат сіңіргіштер мен кварц талшықтарын пайдаланатын сәл өзгеше технологияны қолданады. HF сондай-ақ CMS жүйесіндегі салыстырмалы онлайн жарықтық деңгейін өлшеу үшін де қолданылады. HCAL-дың қыр бөліктерінде қолданылған латуннің шамамен жартысы бұрынғы ресейлік артиллериялық оқ-дәрілерден жасалған.

4-қабат Магнит

CMS магниті – эксперименттің негізгі құрылғысы болып табылады, оның 4 Тесла магнит өрісі Жердің магнит өрісінен 100 000 есе күшті. CMS үлкен соленоидты магнитке ие. Бұл бөлшектердің заряд/масса қатынасын магнит өрісінде олардың қозғалыс жолының қисықтығы бойынша анықтауға мүмкіндік береді. Оның ұзындығы 13 м, диаметрі 6 м, ал суытылған, суперөткізгіш ниобий-титан орамдары бастапқыда 4 Т магнит өрісін жасау үшін көзделген. Магниттің қызмет ету мерзімін ұзарту мақсатында, толық жобалық қуатына қарағанда, жұмыс өрісі 3,8 Т-ға дейін төмендетілді. Магниттің индуктивтілігі 14 Гн, ал 4 Т үшін номиналды ток 19 500 А құрайды, бұл 2,66 ГДж жалпы сақталған энергияны береді, шамамен жарты тонна ТНТ-ге тең. Магнит өшіп қалған жағдайда, энергияны қауіпсіз түрде тарату үшін төмендету тізбектері қарастырылған. Тізбектің кедергісі (негізінен қуат түрлендіргіштен криостатқа дейінгі кабельдер) 0,1 мОм құрайды, бұл шамамен 39 сағатқа жуық тізбек уақыт константасына әкеледі. Бұл CERN-дегі кез келген тізбектің ең ұзақ уақыт константасы. 3,8 Т үшін жұмыс тогы 18 160 А, сақталған энергиясы 2,3 ГДж. Үлкен магниттің міндеті – Жоғары Энергиялық Шашырау Орталығында (ЖЭШО) жоғары энергиялы соқтығыстар нәтижесінде пайда болатын бөлшектердің жолын бұру. Бөлшектің импульсі неғұрлым жоғары болса, магнит өрісі оның жолын соншалықты аз бұрады, сондықтан оның жолын бақылау импульстің өлшеміне мүмкіндік береді. CMS ең күшті магнитке ие болу мақсатымен басталды, өйткені күшті өріс жолдарды көбірек бұрады, ал трекер және мюон детекторларындағы жоғары дәлдіктегі позициялық өлшемдермен үйлесіп, тіпті жоғары энергиялы бөлшектердің импульсін дәл өлшеуге мүмкіндік береді. Трекер және калориметр детекторлары (ECAL және HCAL) магнит орамасының ішіне тығыз орналасқан, ал мюон детекторлары магнит орамаларын қоршап тұратын және өрісті бағыттап, ұстап тұратын 12 қырлы темір құрылымымен біріктірілген. Бұл «қайта оралу иығы» үш қабаттан тұрады, диаметрі 14 метрге жетеді және сонымен қатар сүзгі ретінде қызмет етеді, тек мюондар мен нейтрино сияқты әлсіз өзара әрекеттесетін бөлшектерді өткізеді. Үлкен магнит эксперименттің құрылымдық қолдауын қамтамасыз етеді және оның өзіндік магнит өрісінің күштеріне төтеп беру үшін өте берік болуы керек.

The CMS magnet is the central device around which the experiment is built, with a 4 Tesla magnetic field that is 100,000 times stronger than the Earth's. CMS has a large solenoid magnet. This allows the charge/mass ratio of particles to be determined from the curved track that they follow in the magnetic field. It is 13 m long and 6 m in diameter, and its refrigerated superconducting niobium titanium coils were originally intended to produce a 4 T magnetic field. The operating field was scaled down to 3.8 T instead of the full design strength in order to maximize longevity. The inductance of the magnet is 14 Η and the nominal current for 4 T is 19,500 A, giving a total stored energy of 2.66 GJ, equivalent to about half a tonne of TNT. There are dump circuits to safely dissipate this energy should the magnet quench. The circuit resistance (essentially just the cables from the power converter to the cryostat) has a value of 0.1 mΩ which leads to a circuit time constant of nearly 39 hours. This is the longest time constant of any circuit at CERN. The operating current for 3.8 T is 18,160 A, giving a stored energy of 2.3 GJ. The job of the big magnet is to bend the paths of particles emerging from high energy collisions in the LHC. The more momentum a particle has the less its path is curved by the magnetic field, so tracing its path gives a measure of momentum. CMS began with the aim of having the strongest magnet possible because a higher strength field bends paths more and, combined with high precision position measurements in the tracker and muon detectors, this allows accurate measurement of the momentum of even high energy particles. The tracker and calorimeter detectors (ECAL and HCAL) fit snugly inside the magnet coil whilst the muon detectors are interleaved with a 12 sided iron structure that surrounds the magnet coils and contains and guides the field. Made up of three layers this "return yoke" reaches out 14 metres in diameter and also acts as a filter, allowing through only muons and weakly interacting particles such as neutrinos. The enormous magnet also provides most of the experiment's structural support, and must be very strong itself to withstand the forces of its own magnetic field.

5-қабат Мюон детекторлары және қайтарым иісі

"Compact Muon Solenoid" атауынан көрінетіндей, мюондарды анықтау CMS-тің ең маңызды міндеттерінің бірі болып табылады. Мюондар – зарядталған бөлшектер, олар электрон мен позитронға ұқсайды, бірақ массасы 200 есе үлкен. Олардың көптеген жаңа бөлшектердің ыдырауынан пайда болатынын күтеміз; мысалы, Хиггс бозонының ең анық "сигналдарының" бірі – оның төрт мюонға ыдырауы. Мюондар темірдің бірнеше метрін едәуір энергия жоғалтпай өте алады, сондықтан көптеген бөлшектерден айырмашылығы, CMS-тің ешбір калориметрі оларды тоқтата алмайды. Сондықтан мюонды анықтау камералары эксперименттің шетінде орналастырылады, онда олар сигнал тіркейтін жалғыз бөлшектер болып табылады. Мюондарды анықтау және олардың импульстарын өлшеу үшін CMS үш түрлі детекторды қолданады: дрейфті түтіктер (DT), катодтық жолақты камералар (CSC), кедергісі жоғары пластиналы камералар (RPC) және газды электронды күшейткіш (GEM). DT-лер орталық бөлігіндегі траекторияны дәл өлшеу үшін қолданылады, ал CSC-лер соңғы бөліктерде қолданылады. RPC мюон детекторынан мюон өткенде жылдам сигнал береді және олар баррельде де, соңғы бөліктерде де орнатылады. Дрейфті түтік (DT) жүйесі детектордың баррель бөлігіндегі мюондардың орналасуын өлшейді. Әр 4 см ені бар түтік газ көлемінде созылған сымнан тұрады. Мюон немесе кез келген зарядталған бөлшек көлемнен өткенде газ атомдарынан электрондарды шығарады. Олар электр өрісі бойымен оң зарядталған сымға дейін қозғалады. Электрондар сымға қай жерде соқтығысқандығын (суретте сымдар бетке қарай бағытталған) тіркеу арқылы, сондай-ақ мюонның сымнан бастапқы қашықтығын есептеу арқылы (суретте көлденең қашықтық ретінде көрсетілген және түтік ішіндегі электрон жылдамдығын уақытына көбейту арқылы есептеледі) DT мюонның орналасуының екі координатын береді. Әрбір DT камерасы, шамамен 2 м x 2,5 м көлемде, 12 алюминий қабатынан тұрады, олар үш топқа бөлінген, әр тобында 60 түтікке дейін болады: ортаңғы топ сәуле бағытына параллель координатаны өлшейді, ал екі сыртқы топ перпендикуляр координатаны өлшейді. Катодтық жолақты камералар (CSC) магнит өрісі біркелкі емес және бөлшектердің қарқыны жоғары болған соңғы бөлік дискілерінде қолданылады. CSC-лер газ көлемінде теріс зарядталған мыс "катод" жолақтарымен қиылысқан оң зарядталған "анод" сымдарының тізбектерінен тұрады. Мюондар газ атомдарынан электрондарды шығарып алады, олар анод сымдарына ағылып, электрондардың лавинасын жасайды. Оң иондар сымнан алыстап, мыс катодқа қарай қозғалады, сонымен қатар сым бағытына перпендикуляр жолақтарда зарядтық импульс тудырады. Жолақтар мен сымдар перпендикуляр болғандықтан, әрбір өтетін бөлшектің екі координатын аламыз. Нақты кеңістік және уақыт туралы ақпарат беруден басқа, тығыз орналасқан сымдар CSC-ні іске қосуға қолайлы жылдам детекторларға айналдырады. Әрбір CSC модулі алты қабаттан тұрады, бұл мюондарды дәл анықтауға және олардың траекторияларын трекердегі траекториялармен сәйкестендіруге мүмкіндік береді. Кедергісі жоғары пластиналы камералар (RPC) – бұл DT және CSC-ге параллель мюонды іске қосу жүйесін қамтамасыз ететін жылдам газды детекторлар. RPC-лер екі параллель пластинадан тұрады, оң зарядталған анод пен теріс зарядталған катод, екеуі де өте жоғары кедергілі пластикалық материалдан жасалған және газ көлемімен бөлінеді. Мюон камерадан өткенде газ атомдарынан электрондар шығады. Бұл электрондар өз кезегінде басқа атомдарға соқтығысып, электрондардың лавинасын тудырады. Электродтар сигналға (электрондарға) мөлдір, олар сыртқы металл жолақтармен қысқа, бірақ дәл уақыт кешігуінен кейін ұсталады. Жолақтың соқтығысу үлгісі мюон импульсінің жылдам өлшемін береді, ол деректерді сақтауға баламалы екенін анықтау үшін триггермен қолданылады. RPC-лер жақсы кеңістіктік ажыратымдылықты бір наносекундтық (секундтың миллиардтан бір бөлігі) уақыт ажыратымдылығымен біріктіреді. Газды электронды күшейткіш (GEM) детекторлары CMS-тегі жаңа мюондық жүйені білдіреді, олар соңғы бөліктердегі қолданыстағы жүйелерді толықтырады. Алдыңғы аймақ – бұл CMS-тің үлкен сәулелену дозалары мен оқиғалардың жоғары қарқынына ең көп ұшыраған бөлігі. GEM камералары қосымша артық және өлшеу нүктелерін қамтамасыз етеді, бұл мюон траекториясын жақсы анықтауға және алдыңғы аймақта кеңірек қамтуға мүмкіндік береді. CMS GEM детекторлары үш қабаттан тұрады, олардың әрқайсысы 50 мкм қалыңдықтағы мыс жалатылған полиимид фольгасынан жасалған. Бұл камералар Ar/CO2 газы қоспасымен толтырылған, онда мюондардың соқтығысуынан бастапқы ионизация жүреді, нәтижесінде электрон лавинасы пайда болады, бұл күшейтілген сигналды қамтамасыз етеді.

As the name "Compact Muon Solenoid" suggests, detecting muons is one of CMS's most important tasks. Muons are charged particles that are just like electrons and positrons, but are 200 times more massive. We expect them to be produced in the decay of a number of potential new particles; for instance, one of the clearest "signatures" of the Higgs Boson is its decay into four muons. Because muons can penetrate several metres of iron without depositing a significant amount of energy, unlike most particles, they are not stopped by any of CMS's calorimeters. Therefore, chambers to detect muons are placed at the very edge of the experiment where they are the only particles likely to register a signal. To identify muons and measure their momenta, CMS uses three types of detector: drift tubes (DT), cathode strip chambers (CSC), resistive plate chambers (RPC), and Gas electron multiplier (GEM). The DTs are used for precise trajectory measurements in the central barrel region, while the CSCs are used in the end caps. The RPCs provide a fast signal when a muon passes through the muon detector, and are installed in both the barrel and the end caps. The drift tube (DT) system measures muon positions in the barrel part of the detector. Each 4 cm wide tube contains a stretched wire within a gas volume. When a muon or any charged particle passes through the volume it knocks electrons off the atoms of the gas. These follow the electric field ending up at the positively charged wire. By registering where along the wire electrons hit (in the diagram, the wires are going into the page) as well as by calculating the muon's original distance away from the wire (shown here as horizontal distance and calculated by multiplying the speed of an electron in the tube by the time taken) DTs give two coordinates for the muon's position. Each DT chamber, on average 2 m x 2.5 m in size, consists of 12 aluminium layers, arranged in three groups of four, each with up to 60 tubes: the middle group measures the coordinate along the direction parallel to the beam and the two outside groups measure the perpendicular coordinate. Cathode strip chambers (CSC) are used in the endcap disks where the magnetic field is uneven and particle rates are high. CSCs consist of arrays of positively charged "anode" wires crossed with negatively charged copper "cathode" strips within a gas volume. When muons pass through, they knock electrons off the gas atoms, which flock to the anode wires creating an avalanche of electrons. Positive ions move away from the wire and towards the copper cathode, also inducing a charge pulse in the strips, at right angles to the wire direction. Because the strips and the wires are perpendicular, we get two position coordinates for each passing particle. In addition to providing precise space and time information, the closely spaced wires make the CSCs fast detectors suitable for triggering. Each CSC module contains six layers making it able to accurately identify muons and match their tracks to those in the tracker. Resistive plate chambers (RPC) are fast gaseous detectors that provide a muon trigger system parallel with those of the DTs and CSCs. RPCs consist of two parallel plates, a positively charged anode and a negatively charged cathode, both made of a very high resistivity plastic material and separated by a gas volume. When a muon passes through the chamber, electrons are knocked out of gas atoms. These electrons in turn hit other atoms causing an avalanche of electrons. The electrodes are transparent to the signal (the electrons), which are instead picked up by external metallic strips after a small but precise time delay. The pattern of hit strips gives a quick measure of the muon momentum, which is then used by the trigger to make immediate decisions about whether the data are worth keeping. RPCs combine a good spatial resolution with a time resolution of just one nanosecond (one billionth of a second). Gas electron multiplier (GEM) detectors represent a new muon system in CMS, in order to complement the existing systems in the endcaps. The forward region is the part of CMS most affected by large radiation doses and high event rates. The GEM chambers will provide additional redundancy and measurement points, allowing a better muon track identification and also wider coverage in the very forward region. The CMS GEM detectors are made of three layers, each of which is a 50 μm thick copper cladded polyimide foil. These chambers are filled with an Ar/CO2 gas mixture, where the primary ionisation due to incident muons will occur which subsequently result in an electron avalanche, providing an amplified signal.

Үлгілерді тану

CMS-те ашылған жаңа бөлшектер көбінесе тұрақсыз болады және жылдам жеңіл, тұрақтырақ және жақсы зерттелген бөлшектер тізбегіне айналады. CMS-тен өтетін бөлшектер әртүрлі қабаттарда ерекше үлгілер немесе "сигналдар" қалдырады, олардың арқасында оларды анықтау мүмкін. Содан кейін жаңа бөлшектердің болуы (немесе болмауы) туралы қорытынды жасауға болады.

Ашытқы жүйесі

Хиггс бозоны сияқты сирек кездесетін бөлшекті табу мүмкіндігі болу үшін, өте көп мөлшерде соқтығысулар қажет. Детектордағы соқтығысу оқиғаларының көпшілігі "жұмсақ" болып келеді және қызықты эффектілер тудырмайды. Әрбір соқтығысудан алынатын шикі дерек көлемі шамамен 1 мегабайтты құрайды, ал 40 МГц соқтығысу жылдамдығында секундына 40 терабайт дерек пайда болады, бұл эксперименттің сақтауға, тіпті дұрыс өңдеуге үміттенбейтін көлем. Толыққанды триггерлік жүйе қызықты оқиғалардың жылдамдығын басқарылатын секундына 1000-ға дейін төмендетеді. Бұл үшін бірнеше "триггерлік" сатылар қолданылады. Әрбір соқтығысудан алынған барлық дерек детектор ішіндегі буферлерде сақталады, ал негізгі ақпараттың шағын бөлігі жоғары энергиялы ағындар, мюондар немесе жоғалған энергия сияқты қызығушылық тудыратын ерекшеліктерді анықтау үшін жылдам, шамамен есептеулер жүргізуге пайдаланылады. Бұл "1-деңгей" есептеуі шамамен 1 мкс ішінде аяқталады, ал оқиға жылдамдығы шамамен 1000 есеге төмендеп, 50 кГц-ға жетеді. Бұл есептеулердің барлығы қайта бағдарламаланатын далалық программаланатын қақпалық тізбектерді (FPGA) пайдаланатын жылдам, арнайы аппараттық құралдарда орындалады. Егер оқиға 1-деңгейлі триггерден өтіп кетсе, детектордағы буферде сақталған барлық дерек оптикалық талшық байланыстары арқылы "Жоғары деңгейлі" триггерге жіберіледі, ол – негізінен C++ тілінде жазылған бағдарламалық жасақтама (қалыпты компьютерлік серверлерде іске қосылады). Жоғары деңгейлі триггердегі оқиғалардың төменгі жылдамдығы 1-деңгейлі триггерге қарағанда оқиғаны әлдеқайда толыққанды талдауға мүмкіндік береді. Жоғары деңгейлі триггер оқиғалар санын тағы да 100 есеге азайтады, секундына 1000 оқиғаға дейін төмендетеді. Содан кейін олар болашақта талдау үшін таспаға жазылады.

Басты оқиғалар

1998 жылы CMS үшін жер үсті ғимараттарының құрылысы басталды. 2000 жылы LEP тоқтатылды, үңгір құрылысы басталды. 2004 жылы үңгір аяқталды. 10 қыркүйек 2008 жылы CMS-те алғашқы сәуле тіркелді. 23 қараша 2009 жылы CMS-те алғашқы соқтығысулар болды. 2010 жылғы 30 наурызда CMS-те 7 ТэВ энергиясында алғашқы протон-протон соқтығысулары орын алды. 7 қараша 2010 жылы CMS-те алғашқы қорғасын иондары соқтығысты. 5 сәуір 2012 жылы CMS-те 8 ТэВ энергиясында алғашқы протон-протон соқтығысулары тіркелді. 29 сәуір 2012 жылы осында жасалған алғашқы жаңа бөлшектің – қозған бейтарап Xi b барионының 2011 жылы ашылғаны туралы хабарланды. 4 шілде 2012 жылы Джо Инкандела (UC Santa Barbara) өкілі семинарда және веб-трансляцияда шамамен 125 ГэВ массасы бар бөлшектің бар екендігін мәлімдеді. Бұл "Хиггс бозонымен сәйкес келеді". Келесі жылдары жүргізілген зерттеулер жаңадан ашылған бөлшектің Хиггс бозоны екенін растады. 16 ақпан 2013 жылы LHC "Run 1" (2009–2013) аяқталды. 3 маусым 2015 жылы 13 ТэВ энергиямен соқтығысулардың күшейтілуімен LHC "Run 2" басталды. 28 тамыз 2018 жылы Хиггс бозонының төменгі кварк жұбына ыдырауы байқалды. 3 желтоқсан 2018 жылы LHC "Run 2" жоспарланған аяқталуы болды. 3 наурыз 2021 жылы CERN-нің ұзақ үзілісінің жоспарланған аяқталуы және LHC "Run 3" жоспарланған басталуы күтілуде.

Этимология

Компактты мюонды соленоид термині детектордың салыстырмалы түрде шағын мөлшері, мюондарды анықтау қабілеті және детекторда соленоидтардың қолданылуымен байланысты. "CMS" бөлшектер физикасындағы маңызды ұғым – масса орталығы жүйесіне де сілтеме жасайды.