Содержание:
Рис. 1. Общий вид детектора CMS в разрезе. Рис. с сайта public.web.cern.ch Название CMS расшифровывается как Compact Muon Solenoid (Компактный мюонный соленоид). На первый взгляд, слово «компактный» здесь может показаться неуместным — ведь длина детектора составляет 20 м, а диаметр — 15 м. На самом деле это слово подчеркивает, что этот детектор заметно компактнее сестринского эксперимента ATLAS (длина 43 м, диаметр 22 м), хотя не уступает ему по исследовательским возможностям. Этого удалось добиться благодаря очень сильному магниту, из-за которого детектор CMS оказался чрезвычайно тяжелым — 15 тысяч тонн против 7 тысяч тонн детектора ATLAS. Всё это — умеренно большие размеры, большой вес и сильное магнитное поле — налагает на устройство компонентов детектора особые требования.
Рис. 2. Сектор детектора CMS с последовательностью детектирующих камер. Внутри установлено несколько слоев трековых детекторов, затем идут электромагнитный и адронный калориметры, снаружи расположен магнитный соленоид, а затем — массивное ярмо магнита с мюонными камерами. Рис. с сайта cms-project-cmsinfo.web.cern.ch
Магнит
Рис. 3. Эмблема эксперимента CMS. Рис. с сайта www.uscms.org Ключевым элементом детектора CMS является тяжелый сверхпроводящий магнит. По своей конструкции он напоминает привычный электромагнит с сердечником, только «вывернутый наизнанку». Вместо внутреннего железного сердечника у него есть внешнее железное ярмо (показано красным цветом на рис. 1 и 2), которое не дает линиям магнитного поля расходиться в пространстве, а как бы удерживает их внутри металла. Благодаря такой конструкции единый электромагнит создает сильное магнитное поле как внутри, так и снаружи цилиндра. Внутри цилиндра помещаются трековые детекторы и калориметры, а наружное поле используется для отклонения мюонов. В результате, когда мюон вылетает из центра детектора и пролетает через центральную область и область возвратного поля, он отклоняется сначала в одну сторону, а потом в другую, вычерчивая характерный профиль, похожий на букву «S». Этот профиль, причем для мюонов разных энергий, присутствует на эмблеме CMS.
Магнит CMS — самый крупный из когда-либо созданных сверхпроводящих электромагнитов. Он создает магнитное поле 4 тесла внутри цилиндра диаметром 6 м и длиной 12,5 м. Полная энергия, запасенная в таком электромагните, составляет 2,6 ГДж — достаточно, чтобы расплавить десяток тонн металла. Сильное магнитное поле, действующее на сами обмотки электромагнита, порождает также и огромные механические напряжения. Достаточно сказать, что при запитке магнита он деформируется на 0,15%. Неудивительно, что ток запускается в обмотки магнита очень медленно и осторожно. Дополнительную сложность этому процессу придает необходимость поддерживать электромагнит при температуре жидкого гелия.
Ярмо магнита с массой около 10 тысяч тонн — самый тяжелый компонент детектора CMS (для сравнения, масса детектора ATLAS целиком составляет «всего» 7 тысяч тонн). Оно содержит в два раза больше железа, чем Эйфелева башня. Механическая поддержка ярма сама по себе является нетривиальной инженерной задачей.
Трековые детекторы
Трековые детекторы в детекторе CMS следуют классической схеме. Ближе всего к вакуумной трубе расположен пиксельный детектор. Три цилиндрических слоя имеют радиусы 4, 7 и 11 см и содержат все вместе 65 миллионов отдельных пикселов, каждый размером 100 на 150 микрон.
Рис. 4. Схема расположения отдельных модулей трековых детекторов CMS. Рис. с сайта cms-project-cmsinfo.web.cern.ch На больших расстояниях от оси пучка, вплоть до радиуса 130 см, расположены десять слоев кремниевого полоскового детектора. Он содержит свыше 15 тысяч отдельных модулей разного дизайна, насчитывающих вместе 10 миллионов чувствительных полосок, информация с которых считывается 80 тысячами каналов сбора данных. Для оптимизации работы полосковый детектор поддерживается при температуре –20°C.
Детектор CMS и так тяжелый, поэтому система сбора данных с центрального детектора спроектирована так, чтобы весить как можно меньше. После обработки полученных сигналов front-end электроникой (то есть электроникой, крепящейся непосредственно к торцам детектирующих модулей) данные переводятся в последовательность вспышек инфракрасного лазера и выводятся из детектора по 40 тысячам оптоволоконных каналов.
Калориметры
В соответствие со стандартной практикой, в детекторе CMS установлено два типа калориметров: внутренний (электромагнитный) — для измерения энергий электронов и фотонов, и внешний (адронный) — для измерения энергий адронов.
Электромагнитный калориметр CMS сделан на основе тяжелых сцинтилляционных кристаллов вольфрамата свинца, плотность которых больше, чем у стали. Преимущество этого материала по сравнению с другими сцинтилляторами состоит в том, что электроны и фотоны порождают в нём очень короткие ливни с хорошо известными свойствами. Это значит, что измерение энергий частиц будет происходить с высокой точностью и на малых расстояниях, что очень важно для компактного детектора CMS. Слабая сторона этого сцинтиллятора — высокая чувствительность к температуре, поэтому все сто тонн калориметра приходится держать при постоянной температуре, с отклонениями не более десятой доли градуса. Учитывая, что соседние детекторные компоненты (трековый детектор, соленоид и т. д.) требуют для работы свои специальные температурные режимы, задача охлаждения отдельных компонентов тоже становится нетривиальной.
Рис. 5. Сцинтилляционные кристаллы вольфрамата свинца. В детекторе CMS используется более 75 тысяч таких кристаллов. Фото с сайта cms-project-cmsinfo.web.cern.ch Использующиеся в детекторе CMS кристаллы вольфрамата свинца выращивались в двух местах в мире: в бывшем военном комплексе в городе Богородицк и в Шанхайском институте керамик (подробности см. в истории изготовления кристаллов на сайте CMS).
Торцевые калориметры детектора CMS умеют надежно отличать отдельный фотон высокой энергии от пары фотонов, родившихся при распаде нейтрального пи-мезона высокой энергии и потому вылетевших в очень близких направлениях. Одиночные фотоны высоких энергий редки и могут указывать на то, что при столкновении протонов имело место какое-то очень интересное явление (например, распад хиггсовского бозона на два фотона, который будет очень важным для поиска легкого хиггсовского бозона). Нейтральные пи-мезоны, наоборот, рождаются в изобилии и в подавляющем большинстве случаев никакой особо интересной информации не несут.
В обычном электромагнитном калориметре эти две ситуации различить трудно, поскольку единичный фотон и пара близких фотонов порождают схожие ливни. Поэтому в торцевых сегментах CMS, непосредственно перед электромагнитным калориметром, установлен тонкий слой специального предливневого детектора фотонов (preshower). Этот детектор сделан по технологии кремниевых полосковых детекторов, поэтому размер чувствительной ячейки в нём составляет всего два миллиметра (против кристаллов с поперечным сечением 3 на 3 см в электромагнитном калориметре). Два фотона, разделенные несколькими миллиметрами, удается различить в предливневом детекторе как две отдельные частицы.
Адронный калориметр должен породить и поглотить адронные ливни, которые по своей природе более протяженные, чем электромагнитные. Поэтому вместить адронный калориметр внутрь относительно компактного соленоида оказалось непростой задачей. На самом деле, несколько слоев адронного калориметра пришлось даже разместить снаружи соленоида для того, чтобы убедиться, что адронный ливень полностью поглотился веществом и нет утечки ливня наружу.
Рис. 6. Цилиндрический адронный калориметр устанавливается внутрь соленоида детектора CMS. Фото с сайта cms-project-cmsinfo.web.cern.ch Адронный калориметр собран из 36 отдельных «клиньев», каждый весом 26 тонн, плюс еще 36 клиньев чуть меньшего размера установлены на торцах детектора. Каждый клин представляет собой слойку, состоящую из чередующихся слоев плотного материала-поглотителя и слоев органического сцинтиллятора. Свет, выделившийся в каждом слое сцинтиллятора, выводится наружу по оптоволокну, причем свет от отдельных слоев просто складывается. Этот свет на выходе превращается в электрический сигнал с помощью гибридных фотодиодов, которые были разработаны специально для работы в сильных магнитных полях.
В дополнение к ним имеется специальный адронный калориметр, установленный в направлении «вперед» вблизи оси пучка (форвард-калориметр). Поскольку в протон-протонных столкновениях адроны вылетают преимущественно под небольшими углами к оси пучка, именно в форвард-калориметре выделяется основная доля всей энергии адронов. Для того чтобы выдержать столь сильную радиацию, в форвард-калориметре используются иные материалы, чем в остальных секциях адронного калориметра.
На сайте CMS приводится интересная история о том, как в подмосковной Дубне изготавливались торцевые сегменты адронных калориметров. Для поглощающих пластинок требовался достаточно прочный материал, способный долго держать сильное механическое напряжение. Выбор инженеров остановился на латуни, однако латунь высокого качества была для тех времен (1990-е годы) слишком дорогой. Один из специалистов вспомнил, что ему в свое время приходилось сталкиваться с расчетами прочности латунных гильз для снарядов Балтийского флота. Оказалось, что на складах ВМФ действительно имеются неиспользованные запасы орудийных гильз из высококачественной латуни. Было получено разрешение на их переплавку, и в результате около миллиона гильз пошло на создание поглотителей для адронного калориметра CMS. Подробнее об этой истории см. на сайте ОИЯИ в Дубне.
Мюонная система
Рис. 7. Эскиз мюонной системы детектора CMS и схема с намеком на принцип работы мюонных трубок. Рисунок выполнен в стиле Леонардо да Винчи. С сайта cms-project-cmsinfo.web.cern.ch Мюонные камеры расположены снаружи соленоида, причем они чередуются со слоями железного ярма, по которому «возвращается» магнитное поле. На детекторе CMS используются мюонные детекторы трех типов: дрейфовые трубки, катодные полосковые камеры и камеры с резистивными пластинками. Часть этих камер предназначена для определения координат и времен пролетевших мюонов, а другая часть используется для быстрого мюонного триггера, который должен в режиме реального времени решить, представляет ли это событие что-то интересное с точки зрения мюонов.
Коллаборация
Рис. 8. Вклад российских институтов в создание различных компонентов детектора CMS. Рис. с сайта cms-project-cmsinfo.web.cern.ch По состоянию на июнь 2008 года коллаборация CMS насчитывала 3000 ученых и инженеров, работающих над созданием и работой детектора. В подготовке и проведении эксперимента участвуют 183 института из 38 стран мира. Вклад российских институтов в создание различных компонентов детектора CMS показан на рис. 8.
Дополнительная литература:
- Официальные сайты детектора: технический сайт CMS, публичные страницы CMS.
- CMS Times — новости детектора.
- USCMS — сайт американской команды, участвующей в эксперименте CMS.
- CMS Timeline — хронология создания детектора.
