Эксперимент CMS на Большом адронном коллайдере: исследование фундаментальных частиц и темной материи.

Введение

Эксперимент общего назначения на Большом адронном коллайдере

Эксперимент с компактным мюонным соленоидом (CMS) – один из двух крупных многоцелевых детекторов физики частиц, построенных на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРН, расположенном на границе Швейцарии и Франции. Целью эксперимента CMS является исследование широкого спектра физических явлений, включая поиск бозона Хиггса, дополнительных измерений и частиц, которые могут составлять темную материю. Длина CMS составляет 21 метр, диаметр – 15 метров, а вес – около 14 000 тонн. Более 4000 человек, представляющих 206 научных институтов и 47 стран, входят в коллаборацию CMS, которая построила и в настоящее время эксплуатирует детектор. Он расположен в подземном зале в Сесси (Франция), недалеко от Женевы. В июле 2012 года, совместно с экспериментом ATLAS, CMS обнаружил бозон Хиггса, что было предварительным результатом. К марту 2013 года его существование было подтверждено.

Предыстория

Недавние эксперименты на коллайдерах, такие как уже демонтированный Большой электронно-позитронный коллайдер и недавно модернизированный Большой адронный коллайдер (LHC) в ЦЕРНе, а также (по состоянию на октябрь 2011 года) недавно остановленный Теватрон в Фермилабе, дали замечательные результаты и провели высокоточные проверки Стандартной модели физики частиц. Главным достижением этих экспериментов (в особенности LHC) стало открытие частицы, согласующейся со стандартным модельным бозоном Хиггса – частицы, возникающей в результате механизма Хиггса, который объясняет массы элементарных частиц. Однако остается много вопросов, на которые будущие эксперименты на коллайдерах надеются найти ответы. Среди них – неопределенности в математическом описании Стандартной модели при высоких энергиях, проверка предлагаемых теорий темной материи (включая суперсимметрию) и причины наблюдаемого во Вселенной дисбаланса между материей и антиматерией.

Резюме детектора

CMS разработан как универсальный детектор, способный изучать многие аспекты столкновений протонов при энергии 0,9–13,6 ТэВ, которая является энергией центра масс ускорителя частиц LHC. Детектор CMS построен вокруг огромного соленоидального магнита. Он представляет собой цилиндрическую катушку из сверхпроводящего кабеля, генерирующую магнитное поле в 4 Тесла, что примерно в 100 000 раз превышает магнитное поле Земли. Магнитное поле удерживается стальным "ягом", который составляет основную массу детектора – 12 500 тонн. Особенностью детектора CMS является то, что, в отличие от других гигантских детекторов экспериментов LHC, которые строились непосредственно под землей, он был собран на поверхности, а затем опущен под землю в 15 секциях и повторно собран. Он содержит подсистемы, предназначенные для измерения энергии и импульса фотонов, электронов, мюонов и других продуктов столкновений. Самый внутренний слой – кремниевый трекер. Вокруг него расположен сцинтилляционный кристаллический электромагнитный калориметр, который, в свою очередь, окружен выборочным калориметром для адронов. Трекер и калориметрия достаточно компактны, чтобы поместиться внутри соленоида CMS, генерирующего мощное магнитное поле 3,8 Т. Снаружи магнита расположены большие мюонные детекторы, находящиеся внутри возвратного ига магнита.

CMS по слоям

Полную техническую информацию о детекторе CMS смотрите в Отчете о техническом проектировании.

Точка взаимодействия

Это точка в центре детектора, в которой происходят столкновения протонов между двумя встречно вращающимися пучками Большого адронного коллайдера (БАК). На каждом конце детектора магниты фокусируют пучки в точку взаимодействия. В момент столкновения каждый пучок имеет радиус 17 мкм, а угол пересечения между пучками составляет 285 мкрад. При достижении проектной светимости каждый из двух пучков БАК будет содержать 2808 групп по 1,15 протона. Интервал между пересечениями составляет 25 нс, однако количество столкновений в секунду составляет всего 31,6 миллиона из-за разрывов в пучках при включении и выключении инжекторных магнитов. При полной светимости каждое столкновение в среднем порождает 20 взаимодействий протон-протон. Столкновения происходят при энергии в центре масс 8 ТэВ. Однако стоит отметить, что для изучения физики в области электрослабых взаимодействий рассеивающие события инициируются одним кварком или глюоном от каждого протона, поэтому фактическая энергия, участвующая в каждом столкновении, будет меньше, поскольку общая энергия в центре масс распределяется между этими кварками и глюонами (определяется функциями распределения партонов). Первое испытание, проведенное в сентябре 2008 года, планировалось проводить при более низкой энергии столкновения 10 ТэВ, но этому помешала авария 19 сентября 2008 года. При достижении этого целевого уровня светимость БАК будет значительно снижена из-за меньшего числа групп протонов в каждом пучке и меньшего числа протонов в каждой группе. Однако уменьшенная частота групп позволяет уменьшить угол пересечения до нуля, поскольку группы достаточно удалены друг от друга, чтобы предотвратить вторичные столкновения в экспериментальной вакуумной камере.

Слой 1 Трекер

Импульс частиц играет решающую роль в создании представления о событиях в центре столкновения. Один из методов расчета импульса частицы — отслеживание ее траектории в магнитном поле; чем сильнее искривлена траектория, тем меньше импульс частицы. Трекер CMS регистрирует пути, пройденные заряженными частицами, определяя их положение в ряде ключевых точек. Трекер способен реконструировать траектории высокоэнергетических мюонов, электронов и адронов (частиц, состоящих из кварков), а также обнаруживать следы от распада очень короткоживущих частиц, таких как b-кварки (кварки красоты), которые будут использованы для изучения различий между материей и антиматерией. Трекер должен точно регистрировать траектории частиц, но при этом быть легким, чтобы минимально влиять на них. Это достигается за счет измерений положения с такой точностью, что траектории могут быть надежно восстановлены, используя лишь несколько точек измерения. Каждое измерение имеет точность до 10 мкм, что составляет долю ширины человеческого волоса. Это также самый внутренний слой детектора, поэтому он принимает на себя наибольший поток частиц: в связи с этим конструкционные материалы были тщательно подобраны для устойчивости к радиации. Трекер CMS полностью изготовлен из кремния: пиксельные детекторы, расположенные в самом ядре детектора и работающие с наиболее интенсивным потоком частиц, и окружающие их кремниевые микрополосковые детекторы. При прохождении частиц через трекер пиксели и микрополоски генерируют крошечные электрические сигналы, которые усиливаются и регистрируются. Трекер использует датчики, покрывающие площадь, равную площади теннисного корта, с 75 миллионами отдельных электронных каналов считывания: в пиксельном детекторе приходится около 6000 соединений на квадратный сантиметр. Кремниевый трекер CMS состоит из 14 слоев в центральной области и 15 слоев в концевых частях. Внутренние четыре слоя (радиусом до 16 см) состоят из пикселей размером 100 × 150 мкм, всего 124 миллиона. Пиксельный детектор был модернизирован в рамках обновления CMS фазы 1 в 2017 году, которое добавило дополнительный слой как в центральную часть, так и в концевые части, и сместило внутренний слой на 1,5 см ближе к линии пучка. Следующие четыре слоя (радиусом до 55 см) состоят из кремниевых полосок размером 10 см × 180 мкм, за которыми следуют оставшиеся шесть слоев из полосок размером 25 см × 180 мкм, до радиуса 1,1 м. Всего имеется 9,6 миллиона каналов полосок. Во время столкновений с полной светимостью ожидается, что заполненность пиксельных слоев на событие составит 0,1%, а полосковых слоев — 1–2%. Ожидается, что обновление HL LHC увеличит количество взаимодействий до уровня, при котором переполнение значительно снизит эффективность поиска треков. Планируется модернизация для повышения производительности и радиационной стойкости трекера. Эта часть детектора является крупнейшим в мире кремниевым детектором. Она содержит 205 м² кремниевых датчиков (приблизительно площадь теннисного корта) в 9,3 миллионах микрополосковых датчиков, включающих 76 миллионов каналов.

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.

Слой 2 Электромагнитный калориметр

Электромагнитный калориметр (ECAL) предназначен для высокоточного измерения энергий электронов и фотонов. ECAL изготовлен из кристаллов вольфрамата свинца, PbWO4. Это чрезвычайно плотный, но оптически прозрачный материал, идеально подходящий для остановки высокоэнергетических частиц. Кристалл вольфрамата свинца состоит в основном из металла и тяжелее нержавеющей стали, но в этой кристаллической форме, с добавлением кислорода, он обладает высокой прозрачностью и сцинтиллирует при прохождении через него электронов и фотонов. Это означает, что он излучает свет пропорционально энергии частицы. Эти кристаллы высокой плотности производят свет в виде быстрых, коротких и чётко определенных всплесков фотонов, что позволяет создать точный, быстрый и достаточно компактный детектор. Его длина излучения составляет χ0 = 0,89 см, а световой выход является быстрым: 80% светового выхода достигается в течение одного времени пересечения (25 нс). Однако это компенсируется относительно невысоким световым выходом – 30 фотонов на МэВ падающей энергии. Используемые кристаллы имеют лицевые размеры 22 мм × 22 мм и глубину 230 мм. Они установлены в матрицу из углеродного волокна для оптической изоляции и считываются с помощью кремниевых лавинных фотодиодов. ECAL, состоящий из цилиндрической секции ("ствола") и двух "концевых крышек", образует слой между трекером и HCAL. Цилиндрический "ствол" состоит из 61 200 кристаллов, объединенных в 36 "супермодулей", каждый из которых весит около трех тонн и содержит 1700 кристаллов. Плоские концевые крышки ECAL герметично закрывают "ствол" с обоих концов и состоят почти из 15 000 дополнительных кристаллов. Для повышения пространственного разрешения ECAL также содержит детекторы преддушевого каскада, расположенные перед концевыми крышками. Они позволяют CMS различать одиночные высокоэнергетические фотоны (часто являющиеся признаками интересных физических явлений) и менее значимые близко расположенные пары фотонов с низкой энергией. На концевых крышках внутренняя поверхность ECAL покрыта субдетектором преддушевого каскада, состоящим из двух слоев свинца, чередующихся с двумя слоями кремниевых полосчатых детекторов. Его задача – помочь в различении фотонов и пионов.

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.

Слой 3 Адронный калориметр

Хадронный калориметр (HCAL) измеряет энергию адронов – частиц, состоящих из кварков и глюонов (например, протонов, нейтронов, пионов и каонов). Он также обеспечивает косвенное измерение присутствия не взаимодействующих незаряженных частиц, таких как нейтрино. HCAL состоит из слоев плотного материала (латуни или стали), чередующихся с пластиковыми сцинтилляторами, которые считываются через волокна, сдвигающие длину волны, с помощью гибридных фотодиодов. Такая комбинация была выбрана для обеспечения максимального количества поглощающего материала внутри магнитной катушки. Область высоких псевдоскоростей инструментарирована детектором Hadronic Forward (HF). Расположенный на расстоянии 11 м с обеих сторон от точки взаимодействия, он использует несколько иную технологию – стальные поглотители и кварцевые волокна для считывания, разработанную для лучшего разделения частиц в перегруженной передней области. HF также используется для измерения относительной онлайн-светимости в CMS. Примерно половина латуни, использованной в концевых частях HCAL, ранее представляла собой русские артиллерийские снаряды.

4 Магнит

Магнит CMS является центральным элементом, вокруг которого построен эксперимент, создавая магнитное поле 4 Тесла, которое в 100 000 раз сильнее, чем земное. CMS оснащен крупным соленоидным магнитом. Это позволяет определять отношение заряда к массе частиц по кривизне их траектории в магнитном поле. Его длина составляет 13 м, диаметр – 6 м, а охлаждаемые сверхпроводящие катушки из ниобия-титана изначально были предназначены для создания магнитного поля 4 Т. Рабочее поле было снижено до 3,8 Т вместо полной проектной мощности для увеличения срока службы. Индуктивность магнита составляет 14 Гн, а номинальный ток при 4 Т – 19 500 А, что обеспечивает общую запасенную энергию 2,66 ГДж, эквивалентную примерно половине тонны тротила. Для безопасной диссипации этой энергии в случае гашения магнита предусмотрены схемы разряда. Сопротивление цепи (фактически только кабели от преобразователя мощности к криостату) составляет 0,1 мОм, что приводит к постоянной времени цепи почти 39 часов. Это самая большая постоянная времени среди всех цепей в ЦЕРНе. Рабочий ток при 3,8 Т составляет 18 160 А, что обеспечивает запасенную энергию 2,3 ГДж. Основная задача большого магнита – искривлять траектории частиц, возникающих при высокоэнергетических столкновениях в Большом адронном коллайдере. Чем больше импульс частицы, тем меньше ее траектория искривляется магнитным полем, поэтому, отслеживая ее путь, можно измерить ее импульс. CMS изначально был задуман с целью создания максимально сильного магнита, поскольку более сильное поле сильнее искривляет траектории, а в сочетании с высокоточными измерениями положения в трекере и мюонных детекторах это позволяет точно измерять импульс даже высокоэнергетических частиц. Трековые и калориметрические детекторы (ECAL и HCAL) плотно размещены внутри магнитной катушки, а мюонные детекторы интегрированы в двенадцатигранную железную структуру, которая окружает магнитные катушки и направляет и удерживает магнитное поле. Эта структура, состоящая из трех слоев, имеет диаметр 14 метров и действует как фильтр, пропуская только мюоны и слабо взаимодействующие частицы, такие как нейтрино. Огромный магнит также обеспечивает основную структурную поддержку эксперимента и должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать силы собственного магнитного поля.

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.

Слой 5 Мюонные детекторы и возвращающийся "ярма"

Как следует из названия "Компактный мюонный соленоид", обнаружение мюонов является одной из важнейших задач CMS. Мюоны – это заряженные частицы, подобные электронам и позитронам, но в 200 раз массивнее. Мы ожидаем, что они будут образовываться при распаде ряда потенциальных новых частиц; например, одним из наиболее явных "сигналов" бозона Хиггса является его распад на четыре мюона. Поскольку мюоны могут проникать на несколько метров в железе, не теряя значительной энергии, в отличие от большинства частиц, они не останавливаются ни одним из калориметров CMS. Поэтому камеры для обнаружения мюонов расположены на самом краю эксперимента, где они являются единственными частицами, способными зарегистрировать сигнал. Для идентификации мюонов и измерения их импульса CMS использует три типа детекторов: дрейф-трубы (DT), катодные стриповые камеры (CSC), камеры с резистивной пластиной (RPC) и газовые электронные умножители (GEM). ДТ используются для точных измерений траектории в центральной области, а CSC – в концевых крышках. RPC обеспечивают быстрый сигнал при прохождении мюона через мюонный детектор и устанавливаются как в центральной области, так и в концевых крышках. Система дрейф-труб (DT) измеряет положение мюонов в барабанной части детектора. Каждая трубка шириной 4 см содержит натянутую проволоку в газовом объеме. Когда мюон или любая заряженная частица проходит через объем, она выбивает электроны из атомов газа. Эти электроны движутся по электрическому полю к положительно заряженной проволоке. Регистрируя место попадания электронов вдоль проволоки (на схеме проволоки направлены вглубь страницы), а также вычисляя исходное расстояние мюона до проволоки (здесь показано как горизонтальное расстояние и рассчитывается путем умножения скорости электрона в трубке на время пролета), DT предоставляют две координаты положения мюона. Каждая камера DT, размером в среднем 2 м x 2,5 м, состоит из 12 алюминиевых слоев, расположенных в трех группах по четыре, каждая из которых содержит до 60 трубок: средняя группа измеряет координату вдоль направления, параллельного пучку, а две внешние группы – перпендикулярную координату. Катодные стриповые камеры (CSC) используются в концевых дисках, где магнитное поле неоднородно и интенсивность частиц высока. CSC состоят из массивов положительно заряженных "анодных" проволок, пересекающихся с отрицательно заряженными медными "катодными" полосами в газовом объеме. Когда мюоны проходят сквозь них, они выбивают электроны из атомов газа, которые устремляются к анодным проволокам, создавая лавину электронов. Положительные ионы удаляются от проволоки и движутся к медному катоду, также индуцируя импульс заряда в полосах, перпендикулярных направлению проволоки. Поскольку полосы и проволоки перпендикулярны, мы получаем две координаты положения для каждой проходящей частицы. Помимо предоставления точной пространственно-временной информации, тесно расположенные проволоки делают CSC быстрыми детекторами, подходящими для формирования триггера. Каждый модуль CSC содержит шесть слоев, что позволяет точно идентифицировать мюоны и сопоставлять их траектории с траекториями в трекерной системе. Камеры с резистивной пластиной (RPC) – это быстрые газовые детекторы, обеспечивающие систему муонного триггера, параллельную системам DT и CSC. RPC состоят из двух параллельных пластин, положительно заряженного анода и отрицательно заряженного катода, оба изготовлены из пластикового материала с очень высоким сопротивлением и разделены газовым объемом. Когда мюон проходит через камеру, электроны выбиваются из атомов газа. Эти электроны, в свою очередь, сталкиваются с другими атомами, вызывая лавину электронов. Электроды прозрачны для сигнала (электронов), который вместо этого улавливается внешними металлическими полосами после небольшой, но точной задержки. Распределение попаданий в полосы дает быстрое измерение импульса мюона, которое затем используется триггером для принятия немедленных решений о том, стоит ли сохранять данные. RPC сочетают в себе хорошее пространственное разрешение с временным разрешением всего в одну наносекунду (одна миллиардная доля секунды). Детекторы газовых электронных умножителей (GEM) представляют собой новую мюонную систему в CMS, предназначенную для дополнения существующих систем в концевых крышках. Передняя область – это часть CMS, наиболее подверженная высоким дозам радиации и интенсивности событий. Камеры GEM обеспечат дополнительные точки измерений и избыточность, что позволит лучше идентифицировать траектории мюонов и расширить покрытие в дальней области. CMS GEM детекторы состоят из трех слоев, каждый из которых представляет собой полиимидную фольгу толщиной 50 мкм, покрытую медью. Эти камеры заполнены смесью газов Ar/CO2, где происходит первичная ионизация, вызванная пролетающими мюонами, что впоследствии приводит к электронному лавинообразному процессу, обеспечивающему усиленный сигнал.

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.

Распознавание шаблонов

Новые частицы, обнаруженные в CMS, как правило, нестабильны и быстро распадаются в каскад более легких, стабильных и хорошо изученных частиц. Частицы, проходящие через CMS, оставляют характерные следы, или "сигнатуры", в различных слоях детектора, позволяющие их идентифицировать. По наличию (или отсутствию) этих следов можно сделать вывод о существовании новых частиц.

Система срабатывания

Чтобы иметь хороший шанс зарегистрировать редкую частицу, такую как бозон Хиггса, требуется очень большое количество столкновений. Большинство событий столкновений в детекторе являются "мягкими" и не приводят к интересным эффектам. Объём необработанных данных от каждого пересечения составляет приблизительно 1 мегабайт, что при частоте пересечений 40 МГц привело бы к 40 терабайтам данных в секунду – объёму, который эксперимент не может ни сохранить, ни тем более правильно обработать. Полная система триггеров снижает скорость интересных событий до управляемых 1000 в секунду. Для этого используется последовательность "триггерных" этапов. Все данные от каждого пересечения сохраняются в буферах внутри детектора, в то время как небольшое количество ключевой информации используется для быстрого, приблизительного вычисления с целью идентификации интересующих объектов, таких как высокоэнергетические струи, мюоны или недостающая энергия. Это вычисление "уровня 1" завершается примерно за 1 мкс, а частота событий снижается примерно в 1000 раз до 50 кГц. Все эти вычисления выполняются на быстром, специализированном оборудовании с использованием перепрограммируемых вентильных матриц (FPGA). Если событие проходит триггер первого уровня, все данные, всё ещё находящиеся в буфере детектора, отправляются по оптоволоконным линиям на триггер "высокого уровня", который представляет собой программное обеспечение (в основном написанное на C++), работающее на обычных компьютерных серверах. Более низкая частота событий на триггере высокого уровня позволяет проводить гораздо более детальный анализ события, чем на триггере первого уровня. Триггер высокого уровня дополнительно снижает частоту событий в 100 раз до 1000 событий в секунду. Затем они сохраняются на магнитной ленте для последующего анализа.

Важные события

1998 Начало строительства надземных зданий для CMS. 2000 LEP остановлен, начинается строительство подземной камеры. 2004 Подземная камера завершена. 10 сентября 2008 Первый пучок в CMS. 23 ноября 2009 Первые столкновения в CMS. 30 марта 2010 Первые протон-протонные столкновения на энергии 7 ТэВ в CMS. 7 ноября 2010 Первые столкновения ионов свинца в CMS. 5 апреля 2012 Первые протон-протонные столкновения на энергии 8 ТэВ в CMS. 29 апреля 2012 Объявление об открытии в 2011 году первой новой частицы, рожденной здесь, – возбужденного нейтрального Xi b бариона. 4 июля 2012 года представитель коллаборации Джо Инкандела (UC Santa Barbara) объявил о свидетельствах существования частицы с массой около 125 ГэВ на семинаре и в прямой трансляции. Это "согласуется с бозоном Хиггса". Последующие обновления в последующие годы подтвердили, что вновь открытая частица является бозоном Хиггса. 16 февраля 2013 Окончание LHC "Run 1" (2009–2013). 3 июня 2015 Начало LHC "Run 2" с повышенной энергией столкновения 13 ТэВ. 28 августа 2018 Наблюдение распада бозона Хиггса на пару нижних кварков. 3 декабря 2018 Планируемое окончание LHC "Run 2". 3 марта 2021 Планируемое окончание длительного останова 2 в CERN и запланированный старт LHC "Run 3".

Этимология

Термин «Компактный мюонный соленоид» происходит от относительно небольших размеров детектора, его способности обнаруживать мюоны и использования соленоидов в его конструкции. Аббревиатура "CMS" также отсылает к системе центра масс – важному понятию в физике частиц.