Войти
Координаты : 46 ° 18'34 "N, 6 ° 4'37" E / 46,30944 ° N, 6,07694 ° E / 46,30944; 6.07694
 | |
| Эксперименты на LHC | |
|---|---|
| ATLAS | Тороидальный прибор LHC |
| CMS | Компактный мюонный соленоид |
| LHCb | LHC-beauty |
| ALICE | Эксперимент на большом ионном коллайдере |
| TOTEM | Полное сечение, упругое рассеяние и дифракционная диссоциация |
| LHCf | LHC-вперед |
| MoEDAL | Монопольный и экзотический детектор на LHC |
| FASER | ExpeRiment ForwArd Search |
| Предускорители LHC | |
| p и Pb | Линейные ускорители для протонов (Linac 2) и Lead (Linac 3) |
| (без маркировки) | Протонный синхротронный ускоритель |
| PS | Протонный синхротрон |
| SPS | Суперпротонный синхротрон |
Вид на торцевую крышку CMS через секции цилиндра. Лестница в правом нижнем углу создает впечатление масштаба. Эксперимент с компактным мюонным соленоидом (CMS ) является одним из двух крупных экспериментов по физике элементарных частиц общего назначения детекторы, построенные на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРН в Швейцарии и Франции. Целью эксперимента CMS является исследование широкого диапазона физики, включая поиск бозона Хиггса, дополнительных измерений и частиц, которые могут составлять темную материю.
CMS имеет длину 21 метр, диаметр 15 м и вес около 14000 тонн. Более 4000 человек, представляющих 206 научных институтов и 47 стран, образуют коллаборацию CMS, создавшую и эксплуатирующую детектор. Он расположен в пещере в Сесси в Франция, прямо напротив границы с Женевой. В июле 2012 года, вместе с ATLAS, CMS предварительно обнаружила бозон Хиггса. К марту 2013 года его существование было подтверждено.
Недавние эксперименты на коллайдере, такие как демонтированный Большой электрон-позитронный коллайдер и недавно отремонтированный Большой адронный коллайдер (LHC) на ЦЕРН, а также (по состоянию на октябрь 2011 г.) недавно закрытый Теватрон в Фермилаб предоставили замечательные сведения и тесты точности Стандартной модели Физика частиц. Основным достижением этих экспериментов (в частности, LHC) является открытие частицы, соответствующей Стандартной модели бозона Хиггса, частицы, являющейся результатом механизма Хиггса, которая дает объяснение для масс элементарных частиц.
Однако есть еще много вопросов, на которые надеются ответить будущие эксперименты на коллайдерах. К ним относятся неопределенности в математическом поведении Стандартной модели при высоких энергиях, проверка предложенных теорий темной материи (включая суперсимметрию ) и причины дисбаланса материи и антивещества, наблюдаемых во Вселенной.
Панорама детектора CMS, 100 м под землей. Основные цели эксперимента:
Эксперимент ATLAS на другой стороне кольца LHC разработан с аналогичными целями, и Эти два эксперимента призваны дополнять друг друга как для расширения охвата, так и для подтверждения результатов. CMS и ATLAS используют различные технические решения и конструкцию своей магнитной системы детектора для достижения поставленных целей.
CMS спроектирован как детектор общего назначения, способный изучать многие аспекты протонных столкновений при 0,9–13 ТэВ, энергия центра масс ускорителя частиц LHC.
Детектор CMS построен на огромном соленоидном магните. Он представляет собой цилиндрическую катушку из сверхпроводящего кабеля, которая создает магнитное поле в 4 тесла, что примерно в 100 000 раз больше, чем у Земли. Магнитное поле ограничено стальным «ярмом», которое составляет основную массу детектора 12 500 т. Необычной особенностью детектора CMS является то, что вместо того, чтобы строиться на месте под землей, как и другие гигантские детекторы экспериментов LHC, он был построен на поверхности, а затем был опущен под землю на 15 секций и снова собран.
Он содержит подсистемы, предназначенные для измерения энергии и импульса фотонов, электронов, мюоны и другие продукты столкновений. Самый внутренний слой - это трекер на основе кремния. Вокруг него находится сцинтиллирующий кристалл электромагнитный калориметр, который сам окружен калориметром отбора проб для адронов. Трекер и калориметр достаточно компактны, чтобы поместиться внутри CMS соленоида, который генерирует мощное магнитное поле 3,8 Т. Снаружи магнита находятся большие мюонные детекторы, которые находятся внутри возвратного ярма магнита.
Вырезка детектора CMS Полную техническую информацию о детекторе CMS см. Отчет о техническом проектировании.
Это точка в центре детектора, в которой происходят столкновения протон -протон между двумя противоположно вращающимися лучами LHC. На каждом конце детектора магниты фокусируют лучи в точку взаимодействия. При столкновении каждый луч имеет радиус 17 мкм, а угол пересечения лучей составляет 285 мкрад.
При полной расчетной светимости каждый из двух лучей LHC будет содержать 2808 сгустков 1,15 × 10 протонов. Интервал между пересечениями составляет 25 нс, хотя количество столкновений в секунду составляет всего 31,6 миллиона из-за зазоров в пучке, поскольку магниты инжектора активируются и деактивируются.
При полной яркости каждое столкновение вызывает в среднем 20 протон-протонных взаимодействий. Столкновения происходят в центре масс с энергией 8 ТэВ. Но стоит отметить, что для исследований физики в электрослабом масштабе события рассеяния инициируются одним кварком или глюоном от каждого протона, поэтому фактическая энергия, участвующая в каждом столкновении, будет ниже, чем полная энергия центра масс. разделяется этими кварками и глюонами (определяется функциями распределения партонов ).
Ожидается, что первое испытание, проведенное в сентябре 2008 г., будет работать при более низкой энергии столкновения 10 ТэВ, но это было предотвращено остановом 19 сентября 2008 г. На этом целевом уровне LHC будет иметь значительно пониженную светимость из-за меньшего количества сгустков протонов в каждом пучке и меньшего количества протонов на сгусток. Уменьшенная частота сгустков позволяет уменьшить угол пересечения до нуля, однако, поскольку сгустки расположены достаточно далеко, чтобы предотвратить вторичные столкновения в экспериментальной лучевой трубке.
Импульс частиц имеет решающее значение, помогая нам построить картину событий, лежащих в основе столкновения. Один из методов вычисления импульса частицы - проследить ее путь через магнитное поле; чем более искривлен путь, тем меньше импульса у частицы. Трекер CMS записывает пути заряженных частиц, определяя их положение в ряде ключевых точек.
Трекер может восстанавливать траектории мюонов, электронов и адронов высокой энергии (частиц, состоящих из кварков), а также видеть треки, возникающие при распаде очень короткоживущих частиц, таких как красотки или b-кварки. », Который будет использоваться для изучения различий между материей и антивеществом.
Трекер должен точно записывать траектории частиц, но при этом быть легким, чтобы как можно меньше беспокоить частицы. Это достигается за счет измерения положения с такой точностью, что треки можно надежно реконструировать, используя всего несколько точек измерения. Каждое измерение имеет точность до 10 мкм, что составляет долю ширины человеческого волоса. Он также является самым внутренним слоем детектора и поэтому принимает наибольший объем частиц: поэтому конструкционные материалы были тщательно выбраны, чтобы противостоять излучению.
Трекер CMS полностью сделан из кремния: пиксели на самое ядро детектора и имеющее дело с частицами наивысшей интенсивности, а также кремниевые микрополосковые детекторы, которые его окружают. Когда частицы проходят через трекер, пиксели и микрополоски производят крошечные электрические сигналы, которые усиливаются и обнаруживаются. В трекере используются датчики, охватывающие площадь размером с теннисный корт, с 75 миллионами отдельных каналов электронного считывания: в пиксельном детекторе около 6000 соединений на квадратный сантиметр.
Кремниевый трекер CMS состоит из 14 слоев в центральной области и 15 слоев в торцевых крышках. Самые внутренние четыре слоя (радиусом до 16 см) состоят из пикселей размером 100 × 150 мкм, всего 124 миллиона. Детектор пикселей был модернизирован в рамках модернизации фазы 1 CMS в 2017 году, в результате чего был добавлен дополнительный слой как на цилиндр, так и на торцевую часть, а самый внутренний слой сместился на 1,5 см ближе к линии луча.
Следующие четыре слоя (радиусом до 55 см) состоят из кремниевых полосок размером 10 см × 180 мкм, за которыми следуют оставшиеся шесть слоев из полосок 25 см × 180 мкм с радиусом 1,1 м. Всего имеется 9,6 миллиона стрип-каналов.
Во время столкновений с полной яркостью ожидается, что занятость слоев пикселей на событие составит 0,1%, а в слоях полосы - 1-2%. Ожидаемое обновление HL-LHC увеличит количество взаимодействий до точки, при которой чрезмерная занятость значительно снизит эффективность поиска путей. Планируется модернизация для увеличения производительности и радиационной стойкости трекера.
Эта часть детектора является крупнейшим в мире кремниевым детектором. Он имеет 205 м кремниевых датчиков (примерно площадь теннисного корта) в 9,3 миллиона микрополосковых сенсоров, содержащих 76 миллионов каналов.
Электромагнитный калориметр (ECAL) предназначен для измерения с высокой точностью энергии электронов и фотонов.
. ECAL построен из кристаллов вольфрамата свинца, PbWO 4. Это чрезвычайно плотный, но оптически прозрачный материал, идеально подходящий для задерживания частиц высокой энергии. Кристалл вольфрамата свинца состоит в основном из металла и тяжелее нержавеющей стали, но с примесью кислорода в этой кристаллической форме он очень прозрачен и сцинтиллирует, когда через него проходят электроны и фотоны. Это означает, что он производит свет пропорционально энергии частицы. Эти кристаллы высокой плотности излучают свет быстрыми, короткими, четко очерченными вспышками фотонов, что позволяет создать точный, быстрый и довольно компактный детектор. Он имеет радиационную длину, равную χ 0 = 0,89 см, и обладает быстрым световыходом с 80% световыхода за одно время пересечения (25 нс). Однако это уравновешивается относительно низким световыходом - 30 фотонов на МэВ падающей энергии. Используемые кристаллы имеют размер передней панели 22 мм × 22 мм и глубину 230 мм. Они помещены в матрицу из углеродного волокна, чтобы держать их оптически изолированными, и поддерживаются кремниевыми лавинными фотодиодами для считывания.
ECAL, состоящий из цилиндрической части и двух «торцевых крышек», образует слой между трекером и HCAL. Цилиндрическая «бочка» состоит из 61 200 кристаллов, сформированных в 36 «супермодулей», каждый весом около трех тонн и содержащих 1700 кристаллов. Плоские заглушки ECAL закрывают ствол с обоих концов и состоят из почти 15 000 дополнительных кристаллов.
Для дополнительной пространственной точности ECAL также содержит детекторы предварительного душа, которые расположены перед торцевыми крышками. Это позволяет CMS различать одиночные фотоны высокой энергии (часто признаки захватывающей физики) и менее интересные близкие пары фотонов низкой энергии.
На торцах внутренняя поверхность ECAL покрыта субдетектором предварительного душа, состоящим из двух слоев свинца, чередующихся с двумя слоями кремниевых полосовых детекторов. Его цель - помочь в различении пионов и фотонов.
Половина адронного калориметра Адронный калориметр (HCAL) измеряет энергию адронов, частиц, состоящих из кварков и глюоны (например, протоны, нейтроны, пионы и каоны ). Кроме того, он обеспечивает косвенное измерение наличия невзаимодействующих незаряженных частиц, таких как нейтрино.
. HCAL состоит из слоев плотного материала (латунь или сталь ), чередующихся с плитками из пластмассы сцинтилляторов, считываемых с помощью сдвигающих по длине волны волокон на. Эта комбинация была определена для обеспечения максимального количества поглощающего материала внутри катушки магнита.
Область с высокой псевдобыстротой 
Примерно половина латунь, используемая в заглушках HCAL, раньше была российскими артиллерийскими снарядами.
Магнит CMS - это центральное устройство, вокруг которого построен эксперимент, с 4 Магнитное поле Тесла в 100 000 раз сильнее, чем у Земли. CMS имеет большой соленоид магнит. Это позволяет определять отношение заряда / массы частиц по изогнутой траектории, по которой они следуют в магнитном поле. имеет длину 13 м и диаметр 6 м, а его охлаждаемые сверхпроводящие ниобий-титановые катушки были первоначально y предназначен для создания магнитного поля 4 Т. Для максимального увеличения срока службы рабочее поле было уменьшено до 3,8 Тл вместо полной расчетной напряженности.
Индуктивность магнита составляет 14 Η, а номинальный ток - 4 T составляет 19 500 A, что дает общую накопленную энергию 2,66 ГДж, что эквивалентно примерно полутонны TNT. Существуют схемы сброса для безопасного рассеивания этой энергии в случае гашения магнита . Сопротивление цепи (по сути, это только кабели от преобразователя мощности к криостату ) имеет значение 0,1 мОм, что обеспечивает постоянную времени цепи почти 39 часов. Это самая большая постоянная времени из всех цепей в ЦЕРН. Рабочий ток для 3,8 Т составляет 18,160 А, что дает накопленную энергию 2,3 GJ.
. Работа большого магнита состоит в том, чтобы искривлять пути частиц, возникающих в результате столкновений с высокой энергией. в LHC. Чем больший импульс имеет частица, тем меньше ее путь искривляется магнитным полем, поэтому отслеживание ее пути дает измерение количества движения. CMS изначально ставила своей целью создание максимально сильного магнита, потому что поле с более высокой напряженностью больше искривляет пути, и в сочетании с высокоточными позиционными измерениями в трекере и мюонных детекторах это позволяет точно измерять импульс даже высокоэнергетических частиц.
Детекторы трекера и калориметра (ECAL и HCAL) плотно прилегают к катушке магнита, в то время как детекторы мюонов чередуются с 12-сторонней железной структурой, которая окружает катушки магнита и содержит и направляет поле. Это «обратное ярмо», состоящее из трех слоев, достигает 14 метров в диаметре и также действует как фильтр, пропускающий только мюоны и слабо взаимодействующие частицы, такие как нейтрино. Огромный магнит также обеспечивает большую часть структурной поддержки эксперимента и сам должен быть очень сильным, чтобы противостоять силам собственного магнитного поля.
Как следует из названия «Компактный мюонный соленоид», обнаружение мюонов является одной из важнейших задач CMS. Мюоны - это заряженные частицы, которые подобны электронам и позитронам, но в 200 раз массивнее. Мы ожидаем, что они возникнут при распаде ряда потенциальных новых частиц; например, одна из самых ярких "сигнатур" бозона Хиггса - это его распад на четыре мюона.
Поскольку мюоны могут проникать через несколько метров железа без взаимодействия, в отличие от большинства частиц, их не останавливает ни один из калориметров CMS. Поэтому камеры для обнаружения мюонов расположены на самом краю эксперимента, где они являются единственными частицами, которые могут регистрировать сигнал.
Для идентификации мюонов и измерения их импульсов CMS использует три типа детекторов: дрейфовые трубки (DT), (CSC) и (RPC). DT используются для точных измерений траектории в центральной области ствола, в то время как CSC используются в торцевых крышках. RPC обеспечивают быстрый сигнал, когда мюон проходит через мюонный детектор, и устанавливаются как в цилиндре, так и в торцевых крышках.
Система дрейфовой трубки (DT) измеряет позиции мюонов в цилиндрической части детектора. Каждая трубка шириной 4 см содержит натянутую проволоку в объеме газа. Когда мюон или любая заряженная частица проходит через объем, он сбивает электроны с атомов газа. Они следуют за электрическим полем, достигающим положительно заряженного провода. Регистрируя место попадания электронов в проволоку (на диаграмме проволочки входят в страницу), а также вычисляя исходное расстояние мюона от проволоки (показанное здесь как горизонтальное расстояние и вычисленное путем умножения скорости электрона на трубки по времени) DT дают две координаты положения мюона. Каждая камера DT размером в среднем 2 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 в направлении, параллельном лучу, а две - снаружи. группы измеряют перпендикулярную координату.
(CSC) используются в торцевых дисках, где магнитное поле неравномерно, а количество частиц велико. CSC состоят из массивов положительно заряженных «анодных» проводов, пересеченных с отрицательно заряженными медными «катодными» полосками в объеме газа. Проходя через мюоны, они сбивают электроны с атомов газа, которые устремляются к анодным проводам, создавая лавины электронов. Положительные ионы движутся от проволоки к медному катоду, также вызывая импульс заряда в полосках под прямым углом к направлению проволоки. Поскольку полосы и провода перпендикулярны, мы получаем две координаты положения для каждой проходящей частицы. Помимо предоставления точной информации о пространстве и времени, близко расположенные провода делают быстрые детекторы CSC пригодными для срабатывания. Каждый модуль CSC содержит шесть слоев, что позволяет точно идентифицировать мюоны и сопоставлять их треки с треками в трекере.
(RPC) - это быстрые газовые детекторы, которые обеспечивают систему запуска мюонов, параллельную системам DT и CSC. RPC состоят из двух параллельных пластин, положительно заряженного анода и отрицательно заряженного катода, изготовленных из пластика с очень высоким удельным сопротивлением и разделенных газовым объемом. Когда мюон проходит через камеру, электроны выбиваются из атомов газа. Эти электроны, в свою очередь, поражают другие атомы, вызывая лавину электронов. Электроды прозрачны для сигнала (электронов), которые вместо этого улавливаются внешними металлическими полосками после небольшой, но точной временной задержки. Набор полос ударов позволяет быстро измерить импульс мюона, который затем используется триггером для немедленного принятия решения о том, стоит ли хранить данные. RPC сочетают хорошее пространственное разрешение с временным разрешением всего в одну наносекунду (одну миллиардную долю секунды).
Новые частицы, обнаруженные в CMS, обычно нестабильны и быстро превращаются в каскад более легких, более стабильные и лучше изученные частицы. Частицы, проходящие через CMS, оставляют после себя характерные узоры или «сигнатуры» на разных слоях, что позволяет их идентифицировать. Затем можно сделать вывод о наличии (или отсутствии) каких-либо новых частиц.
Чтобы иметь хороший шанс произвести редкую частицу, такую как бозон Хиггса, требуется очень большое количество столкновений. Большинство столкновений в детекторе «мягкие» и не вызывают интересных эффектов. Объем необработанных данных от каждого пересечения составляет приблизительно 1 мегабайт, что при частоте пересечения 40 МГц приведет к 40 терабайтам данных в секунду, количество, на которое эксперимент не может надеяться. хранить, не говоря уже о правильной обработке. Полная система запуска снижает количество интересных событий до управляемой 1000 в секунду.
Для этого используется серия «триггерных» стадий. Все данные от каждого пересечения хранятся в буферах внутри детектора, в то время как небольшой объем ключевой информации используется для выполнения быстрых приблизительных вычислений для определения представляющих интерес характеристик, таких как струи высокой энергии, мюоны или недостающая энергия. Этот расчет «Уровня 1» выполняется примерно за 1 мкс, а частота событий снижается примерно в 1000 раз до 50 кГц. Все эти вычисления выполняются на быстром настраиваемом оборудовании с использованием перепрограммируемых программируемых пользователем вентильных матриц (FPGA).
Если событие передается триггером уровня 1, все данные, все еще находящиеся в буфере детектора, отправляются по оптоволоконным каналам на триггер «высокого уровня», который является программным (в основном написано на C ++ ), запущенном на обычных компьютерных серверах. Более низкая частота событий в триггере высокого уровня дает время для более подробного анализа события, чем в триггере уровня 1. Триггер высокого уровня снижает частоту событий еще в 100 раз до 1000 событий в секунду. Затем они сохраняются на ленте для дальнейшего анализа.
Данные, прошедшие этапы запуска и сохраненные на ленте, дублируются с помощью Grid на дополнительные сайты по всему миру для упрощения доступа и избыточности. После этого физики могут использовать сетку для доступа к данным и их анализа.
В CMS выполняется огромный спектр анализов, в том числе:
| 1998 | Начинается строительство наземных зданий для CMS. |
| 2000 | LEP остановлен, начинается строительство пещеры. |
| 2004 | Пещера завершена. |
| 10 сентября 2008 г. | Первый луч в CMS. |
| 23 ноября 2009 г. | Первые коллизии в CMS. |
| 30 марта 2010 г. | Первые протон-протонные столкновения 7 ТэВ в CMS. |
| 7 ноября 2010 г. | Первые столкновения ионов свинца в CMS. |
| 5 апреля 2012 г. | Первые протон-протонные столкновения 8 ТэВ в CMS. |
| 29 апреля 2012 г. | Объявление об открытии в 2011 г. первой новой частицы, сгенерированной здесь, возбужденного нейтрального бариона Xi-b. |
| 4 июля 2012 г. | Пресс-секретарь Джо Инкандела (Калифорнийский университет в Санта-Барбаре ) на семинаре и веб-трансляции объявил о наличии частицы с энергией около 125 ГэВ. Это «согласуется с бозоном Хиггса». Дальнейшие обновления в последующие годы подтвердили, что недавно обнаруженная частица - это бозон Хиггса. |
| 16 февраля 2013 г. | Конец «Прогона 1» на LHC (2009–2013 гг.). |
| 3 июня 2015 г. | Начало «прогона 2» LHC с увеличенной энергией столкновения 13 ТэВ. |
| 28 августа 2018 г. | Наблюдение бозона Хиггса, распадающегося до пара нижнего кварка. |
| 3 декабря 2018 г. | Планируемое завершение цикла 2 на LHC. |
| 3 марта 2021 г. | Планируемое завершение длительного останова ЦЕРН 2 и запланированный запуск LHC «Run 3». |
Компьютерное отображение событий, отражающих столкновение протонов с вольфрамовым блоком непосредственно перед CMS в день первого луча, сентябрь 2008 г.
Термин компактный мюонный соленоид происходит из-за относительно компактного размера детектора, того факта, что он обнаруживает мюоны, и использования соленоидов в детекторе. «CMS» также относится к системе центра масс, важной концепции в физике элементарных частиц.
' Как непрофессионал, я бы сказал, я думаю, что он у нас есть », - сказал Рольф-Дитер Хойер, генеральный директор ЦЕРН на семинаре в среду, объявляя результаты поиска бозона Хиггса. Но когда журналисты впоследствии спросили, что именно« это » 'было, все стало сложнее.' Мы открыли бозон - теперь мы должны выяснить, что это за бозон '. В:' Если мы не знаем, что новая частица является хиггсовской, что мы знаем о «Мы знаем, что это какой-то бозон, - говорит Вивек Шарма из CMS. [...]. В:« Неужели ученые ЦЕРНа просто слишком осторожны? Каких доказательств достаточно, чтобы назвать это бозоном Хиггса? » Поскольку может быть много разных видов бозонов Хиггса, однозначного ответа нет.. [em phasis в оригинале]
В терминах, обычно используемых для обозначения спортивных достижений, новостные сообщения описывают открытие как монументальную веху в истории науки.
Даже в самых специализированных кругах новую частицу, открытую в июле, еще не называют «бозоном Хиггса». Физики все еще не решаются назвать ее так, прежде чем они определили, что ее свойства соответствуют тем, которые теория Хиггса предсказывает. бозон имеет.
... распад бозона Хиггса на тау-частицы теперь наблюдается со значимостью более 5 сигм...
| journal =() (зеркала: вдохновляют, CDS ) | Викискладе есть материалы, связанные с компактным мюонным соленоидом. |
