Eksperyment CMS

 

Detektor CMS (ang. Compact Muon Solenoid) jest jednym z czterech wielkich detektorów cząstek przy LHC. To tutaj patrzymy, co powstaje w zderzeniach protonów. CMS jest detektorem “ogólnego przeznaczenia” – zaprojektowano go z myślą o identyfikacji wszystkich rodzajów cząstek i możliwości obserwacji jak najszerszego zakresu zjawisk fizycznych. Jest “Compact”, ponieważ ma “zaledwie” 21 metrów długości i 15 metrów wysokości, a “Solenoidalny”, ponieważ jego sercem jest wielki solenoidalny magnes wytwarzający jednorodne pole magnetyczne.

CMS ma geometrię leżącej beczki z pokrywami i wypełnia całą przestrzeń wokół
punktu zderzenia, oprócz obszaru kilku centymetrów wokół wiązki. Detektor ma strukturę cebuli (albo rosyjskiej Matrioszki), w której każda warstwa zbudowana jest z innego rodzaju poddetektorów. Analizując odpowiedzi każdej warstwy na przechodzącą cząstkę, zależące od sposobu w jaki dana cząstka oddziałuje z materiałem detektora oraz z polem magnetycznym, można taką cząstkę zidentyfikować i określić jej energię/pęd. Idąc od punktu zderzenia na zewnątrz, są to:

Krzemowy detektor mozaikowy składający się z ok. 66 milionów oddzielnie odczytywanych pikseli i w którym do detekcji wykorzystuje się zjawisko jonizacji półprzewodnika przez przechodzące przez niego cząstki naładowane elektrycznie,

Krzemowy detektor śladowy działający na podobnej zasadzie co detektor mozaikowy, ale ze względów ekonomicznych poukładany w ok. 10 milionów pasków półprzewodnikowych. Detektory krzemowe łącznie służą m.in. do precyzyjnego wyznaczania pozycji zderzenia,

Kalorymetr elektromagnetyczny złożony z 68000 kryształów wolframianu ołowiu (PbWO4), wykorzystujący zjawisko kaskadowania elektromagnetycznego do pomiaru energii elektronów i fotonów,

Kalorymetr hadronowy mosiężno-plastikowy kalorymetr z 5000 kanałami
odczytu, przeznaczony do detekcji cząstek oddziałujących silnie (hadronów) i mierzący
ich energie techniką próbkowania, gdzie cząstki tracą energię w kolejnych warstwach mosiądzu, a ich sygnały mierzone są w plastikowych scyntylatorach,

Nadprzewodzący magnes pokrywający cały obszar beczki i wytwarzający w swoim wnętrzu pole magnetyczne o indukcji 3.8 T – pracuje on w temperaturze 4.5 K, ma kształt walca o długości 13 metrów i średnicy 6 metrów i jest największym tego typu urządzeniem na świecie,

Zewnętrzny kalorymetr hadronowy, będący dodatkową warstwą kalorymetru służącą do wyłapywania wysokoenergetycznych hadronów, które przedostały się przez cały główny kalorymetr hadronowy.

Detektory mionowe, złożone z czterech warstw detektorów gazowych działających na zasadzie jonizacji ośrodka gazowego przez przechodzącą cząstkę naładowaną, oraz podzielone na trzy oddzielne systemy: komory dryfowe, katodowe komory paskowe oraz komory RPC – identyfikują one miony, ponieważ każdy inny rodzaj cząstek (oprócz nieobserwowalnych bezpośrednio neutrin) ugrzęźnie w którejś z warstw poprzednich.

Ponadto, na zewnątrz obydwu pokryw, w obszarze najbliższym wiązce, umieszczone są
stalowo-kwarcowe kalorymetry “do przodu” mierzące energie hadronów, elektronów i
fotonów lecących pod małymi kątami od osi wiązki. Ich specjalny projekt dostosowany jest do konieczności funkcjonowania w warunkach wysokiego promieniowania.

Animacja (kliknij by uruchomić) pokazuje, jak każdy rodzaj cząstek: elektrony, fotony, hadrony naładowane, hadrony neutralne, oraz miony, wygląda w detektorze CMS i w których poddetektorach pozostawia sygnały.

Przy eksperymencie CMS współpracuje ponad 3000 fizyków reprezentujących 190 instytucji naukowych i 41 krajów, w tym liczna grupa fizyków z Warszawy.