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紧凑μ子线圈（CMS）实验是在瑞士和法国的欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）上建造的两个大型通用粒子物理学探测器之一。CMS实验的目标是研究广泛的物理现象,包括寻找希格斯玻色子、额外维度以及可能构成暗物质的粒子。
CMS长21米,直径15米,重约14,000吨。来自47个国家206个科研机构的4,000多人组成了CMS合作组,他们建造并现在操作这个探测器。它位于法国塞西的一个洞穴中,就在日内瓦边境的对面。2012年7月,CMS与ATLAS一起暂时发现了希格斯玻色子。到2013年3月,其存在得到了证实。
背景[编辑]
最近的对撞机实验,如现已拆除的大型电子-正电子对撞机和新近翻新的欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）,以及截至2011年10月最近关闭的费米实验室的泰瓦特龙加速器,都为粒子物理学标准模型提供了显著的洞察和精确测试。这些实验(特别是LHC)的一个主要成就是发现了一个与标准模型希格斯玻色子相一致的粒子,这个粒子是由希格斯机制产生的,为基本粒子的质量提供了解释。
然而,未来的对撞机实验仍有许多问题有待回答。这些包括标准模型在高能量下的数学行为的不确定性、对提出的暗物质理论(包括超对称性)的测试,以及宇宙中观察到的物质和反物质不平衡的原因。
物理目标[编辑]
实验的主要目标是:
在LHC环的另一侧的ATLAS实验也设计了类似的目标,这两个实验旨在相互补充,以扩大研究范围并提供发现的佐证。CMS和ATLAS使用不同的技术解决方案和探测器磁体系统设计来实现目标。
探测器概述[编辑]
CMS被设计为一个通用探测器,能够研究LHC粒子加速器0.9–13.6TeV质心能量下质子碰撞的许多方面。
CMS探测器建在一个巨大的螺线管磁体周围。这个磁体是一个超导电缆的圆柱线圈,可以产生4特斯拉的磁场,约为地球磁场的100,000倍。磁场被一个钢制"轭"限制,这构成了探测器12,500吨重量的主体。CMS探测器的一个不寻常的特征是,它不是像LHC其他巨型探测器那样直接在地下建造,而是在地面上建造,然后分15个部分降到地下重新组装。
它包含几个子系统,旨在测量光子、电子、μ子和其他碰撞产物的能量和动量。最内层是基于硅的跟踪器。它周围是闪烁晶体电磁量能器,再外围是用于强子的取样量能器。跟踪器和量能器紧凑到足以装入CMS螺线管内,后者产生3.8特斯拉的强大磁场。磁体外部是大型μ子探测器,它们嵌入在磁体的返回轭中。
CMS各层[编辑]
关于CMS探测器的完整技术细节,请参见技术设计报告。
相互作用点[编辑]
这是探测器中心的一个点,LHC的两束相向旋转的质子束在此碰撞。在探测器的每一端,磁铁将束流聚焦到相互作用点。在碰撞时,每个束的半径为17 μm,束流交叉角为285 μrad。
在全设计亮度下,两个LHC束流中的每一个将包含2,808个束团,每个束团含1.15×10^11个质子。交叉间隔为25 ns,但由于束流中的间隙(注入器磁铁被激活和停用时),每秒的碰撞次数只有31.6百万次。
在全亮度下,每次碰撞将平均产生20次质子-质子相互作用。碰撞发生在8 TeV的质心能量下。但值得注意的是,对于电弱尺度物理的研究,散射事件是由每个质子中的单个夸克或胶子发起的,因此每次碰撞涉及的实际能量会更低,因为总质心能量是由这些夸克和胶子共享的(由部分子分布函数决定)。
2008年9月运行的第一次测试预计在较低的10 TeV碰撞能量下进行,但这被2008年9月19日的停机所阻止。当达到这个目标水平时,LHC的亮度将显著降低,这是由于每个束流中的质子束团更少,每个束团中的质子也更少。减少的束团频率确实允许将交叉角减小到零,因为束团间隔足够大,可以防止在实验光束管中发生二次碰撞。
第1层 – 跟踪器[编辑]
粒子的动量对于帮助我们构建碰撞核心事件的图像至关重要。计算粒子动量的一种方法是追踪其在磁场中的路径;路径越弯曲,粒子的动量就越小。CMS跟踪器通过在几个关键点找到带电粒子的位置来记录它们的路径。
跟踪器可以重建高能μ子、电子和强子(由夸克组成的粒子)的路径,并可以看到来自非常短寿命粒子(如美夸克或"b夸克")衰变的轨迹,这将用于研究物质和反物质之间的差异。
跟踪器需要精确记录粒子路径,同时又要轻便,以尽量不干扰粒子。它通过进行如此精确的位置测量来实现这一点,以至于只需要几个测量点就可以可靠地重建轨迹。每次测量的精度为10 μm,是人类头发宽度的一小部分。它也是探测器的最内层,因此接收到最大量的粒子:因此,构造材料经过精心选择以抵抗辐射。
CMS跟踪器完全由硅制成:像素位于探测器的最核心处,处理最高强度的粒子,周围是硅微条探测器。当粒子穿过跟踪器时,像素和微条会产生微小的电信号,这些信号被放大和检测。跟踪器采用覆盖网球场大小面积的传感器,有7500万个独立的电子读出通道:在像素探测器中,每平方厘米有约6,000个连接。
CMS硅跟踪器在中心区域有14层,在端盖有15层。最内层四层(半径16厘米以内)由100×150 μm的像素组成,总共1.24亿个。像素探测器作为CMS第一阶段升级的一部分在2017年进行了升级,在桶形部分和端盖部分都增加了一层,并将最内层向光束线方向移动了1.5厘米。
接下来的四层(半径55厘米以内)由10 cm×180 μm的硅条组成,然后是剩余的六层25 cm×180 μm条,一直延伸到1.1米的半径。总共有960万个条通道。
在全亮度碰撞期间,每个事件中像素层的占用率预计为0.1%,条层为1-2%。预期的高亮度大型强子对撞机升级将增加相互作用的数量,以至于过度占用会显著降低寻找轨迹的效率。计划进行升级以提高跟踪器的性能和抗辐射能力。
这部分探测器是世界上最大的硅探测器。它有205平方米的硅传感器(约等于一个网球场的面积),由930万个微条传感器组成,包括7600万个通道。
第2层 – 电磁量能器[编辑]
ECAL由钨酸铅晶体PbWO4构成。这是一种极其密集但光学透明的材料,非常适合阻挡高能粒子。钨酸铅晶体主要由金属制成,比不锈钢还重,但在这种晶体形式中加入少量氧后,它变得高度透明,并且当电子和光子穿过时会闪烁。这意味着它产生的光与粒子的能量成正比。这些高密度晶体产生快速、短暂、定义明确的光子爆发,允许精确、快速和相当紧凑的探测器。它的辐射长度为χ0 = 0.89 cm,并且有快速的光产率,在一个交叉时间(25 ns)内有80%的光产率。然而,这与相对较低的光产率平衡,每MeV入射能量产生30个光子。使用的晶体前端尺寸为22 mm × 22 mm,深度为230 mm。它们被置于碳纤维基质中以保持光学隔离,并由硅雪崩光电二极管进行读出。
ECAL由桶形部分和两个"端盖"组成,在跟踪器和HCAL之间形成一层。圆柱形"桶"由61,200个晶体组成,形成36个"超模块",每个重约3吨,包含1,700个晶体。平坦的ECAL端盖封住了桶的两端,由近15,000个晶体组成。
为了获得额外的空间精度,ECAL还包含位于端盖前面的预淋浴探测器。这使CMS能够区分单个高能光子(通常是令人兴奋的物理现象的迹象)和不太有趣的低能光子对。
在端盖处,ECAL内表面被预淋浴子探测器覆盖,由两层铅夹在两层硅条探测器之间组成。其目的是帮助区分π介子和光子。
第3层 – 强子量能器[编辑]
强子量能器(HCAL)测量强子的能量,强子是由夸克和胶子组成的粒子(例如质子、中子、π介子和K介子)。此外,它还提供不相互作用的、无电荷粒子(如中微子)存在的间接测量。
HCAL由密集材料(黄铜或钢)层与塑料闪烁体瓦片交错组成,通过波长转换光纤由混合光电二极管读出。这种组合被确定为允许在磁体线圈内放置最大量的吸收材料。
高赝快度区域(3.0 < |η| < 5.0)由强子前向(HF)探测器测量。位于相互作用点两侧11米处,它使用稍微不同的技术,即钢吸收体和石英光纤读出,旨在更好地分离拥挤的前向区域中的粒子。 HF也用于测量CMS中的相对在线亮度系统。