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緊湊μ子線圈（CMS）實驗是在瑞士和法國的歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）上建造的兩個大型通用粒子物理學探測器之一。CMS實驗的目標是研究廣泛的物理現象,包括尋找希格斯玻色子、額外維度以及可能構成暗物質的粒子。
CMS長21米,直徑15米,重約14,000噸。來自47個國家206個科研機構的4,000多人組成了CMS合作組,他們建造並現在操作這個探測器。它位於法國塞西的一個洞穴中,就在日內瓦邊境的對面。2012年7月,CMS與ATLAS一起暫時發現了希格斯玻色子。到2013年3月,其存在得到了證實。
背景[編輯]
最近的對撞機實驗,如現已拆除的大型電子-正電子對撞機和新近翻新的歐洲核子研究中心的大型強子對撞機（LHC）,以及截至2011年10月最近關閉的費米實驗室的泰瓦特龍加速器,都為粒子物理學標準模型提供了顯著的洞察和精確測試。這些實驗(特別是LHC)的一個主要成就是發現了一個與標準模型希格斯玻色子相一致的粒子,這個粒子是由希格斯機制產生的,為基本粒子的質量提供了解釋。
然而,未來的對撞機實驗仍有許多問題有待回答。這些包括標準模型在高能量下的數學行為的不確定性、對提出的暗物質理論(包括超對稱性)的測試,以及宇宙中觀察到的物質和反物質不平衡的原因。
物理目標[編輯]
實驗的主要目標是:
在LHC環的另一側的ATLAS實驗也設計了類似的目標,這兩個實驗旨在相互補充,以擴大研究範圍並提供發現的佐證。CMS和ATLAS使用不同的技術解決方案和探測器磁體系統設計來實現目標。
探測器概述[編輯]
CMS被設計為一個通用探測器,能夠研究LHC粒子加速器0.9–13.6TeV質心能量下質子碰撞的許多方面。
CMS探測器建在一個巨大的螺線管磁體周圍。這個磁體是一個超導電纜的圓柱線圈,可以產生4特斯拉的磁場,約為地球磁場的100,000倍。磁場被一個鋼製"軛"限制,這構成了探測器12,500噸重量的主體。CMS探測器的一個不尋常的特徵是,它不是像LHC其他巨型探測器那樣直接在地下建造,而是在地面上建造,然後分15個部分降到地下重新組裝。
它包含幾個子系統,旨在測量光子、電子、μ子和其他碰撞產物的能量和動量。最內層是基於矽的跟蹤器。它周圍是閃爍晶體電磁量能器,再外圍是用於強子的取樣量能器。跟蹤器和量能器緊湊到足以裝入CMS螺線管內,後者產生3.8特斯拉的強大磁場。磁體外部是大型μ子探測器,它們嵌入在磁體的返回軛中。
CMS各層[編輯]
關於CMS探測器的完整技術細節,請參見技術設計報告。
相互作用點[編輯]
這是探測器中心的一個點,LHC的兩束相向旋轉的質子束在此碰撞。在探測器的每一端,磁鐵將束流聚焦到相互作用點。在碰撞時,每個束的半徑為17 μm,束流交叉角為285 μrad。
在全設計亮度下,兩個LHC束流中的每一個將包含2,808個束團,每個束團含1.15×10^11個質子。交叉間隔為25 ns,但由於束流中的間隙(注入器磁鐵被激活和停用時),每秒的碰撞次數只有31.6百萬次。
在全亮度下,每次碰撞將平均產生20次質子-質子相互作用。碰撞發生在8 TeV的質心能量下。但值得注意的是,對於電弱尺度物理的研究,散射事件是由每個質子中的單個夸克或膠子發起的,因此每次碰撞涉及的實際能量會更低,因為總質心能量是由這些夸克和膠子共享的(由部分子分布函數決定)。
2008年9月運行的第一次測試預計在較低的10 TeV碰撞能量下進行,但這被2008年9月19日的停機所阻止。當達到這個目標水平時,LHC的亮度將顯著降低,這是由於每個束流中的質子束團更少,每個束團中的質子也更少。減少的束團頻率確實允許將交叉角減小到零,因為束團間隔足夠大,可以防止在實驗光束管中發生二次碰撞。
第1層 – 跟蹤器[編輯]
粒子的動量對於幫助我們構建碰撞核心事件的圖像至關重要。計算粒子動量的一種方法是追蹤其在磁場中的路徑;路徑越彎曲,粒子的動量就越小。CMS跟蹤器通過在幾個關鍵點找到帶電粒子的位置來記錄它們的路徑。
跟蹤器可以重建高能μ子、電子和強子(由夸克組成的粒子)的路徑,並可以看到來自非常短壽命粒子(如美夸克或"b夸克")衰變的軌跡,這將用於研究物質和反物質之間的差異。
跟蹤器需要精確記錄粒子路徑,同時又要輕便,以儘量不干擾粒子。它通過進行如此精確的位置測量來實現這一點,以至於只需要幾個測量點就可以可靠地重建軌跡。每次測量的精度為10 μm,是人類頭髮寬度的一小部分。它也是探測器的最內層,因此接收到最大量的粒子:因此,構造材料經過精心選擇以抵抗輻射。
CMS跟蹤器完全由矽製成:像素位於探測器的最核心處,處理最高強度的粒子,周圍是矽微條探測器。當粒子穿過跟蹤器時,像素和微條會產生微小的電信號,這些信號被放大和檢測。跟蹤器採用覆蓋網球場大小面積的傳感器,有7500萬個獨立的電子讀出通道:在像素探測器中,每平方厘米有約6,000個連接。
CMS矽跟蹤器在中心區域有14層,在端蓋有15層。最內層四層(半徑16厘米以內)由100×150 μm的像素組成,總共1.24億個。像素探測器作為CMS第一階段升級的一部分在2017年進行了升級,在桶形部分和端蓋部分都增加了一層,並將最內層向光束線方向移動了1.5厘米。
接下來的四層(半徑55厘米以內)由10 cm×180 μm的矽條組成,然後是剩餘的六層25 cm×180 μm條,一直延伸到1.1米的半徑。總共有960萬個條通道。
在全亮度碰撞期間,每個事件中像素層的占用率預計為0.1%,條層為1-2%。預期的高亮度大型強子對撞機升級將增加相互作用的數量,以至於過度占用會顯著降低尋找軌跡的效率。計劃進行升級以提高跟蹤器的性能和抗輻射能力。
這部分探測器是世界上最大的矽探測器。它有205平方米的矽傳感器(約等於一個網球場的面積),由930萬個微條傳感器組成,包括7600萬個通道。
第2層 – 電磁量能器[編輯]
ECAL由鎢酸鉛晶體PbWO4構成。這是一種極其密集但光學透明的材料,非常適合阻擋高能粒子。鎢酸鉛晶體主要由金屬製成,比不鏽鋼還重,但在這種晶體形式中加入少量氧後,它變得高度透明,並且當電子和光子穿過時會閃爍。這意味著它產生的光與粒子的能量成正比。這些高密度晶體產生快速、短暫、定義明確的光子爆發,允許精確、快速和相當緊湊的探測器。它的輻射長度為χ0 = 0.89 cm,並且有快速的光產率,在一個交叉時間(25 ns)內有80%的光產率。然而,這與相對較低的光產率平衡,每MeV入射能量產生30個光子。使用的晶體前端尺寸為22 mm × 22 mm,深度為230 mm。它們被置於碳纖維基質中以保持光學隔離,並由矽雪崩光電二極體進行讀出。
ECAL由桶形部分和兩個"端蓋"組成,在跟蹤器和HCAL之間形成一層。圓柱形"桶"由61,200個晶體組成,形成36個"超模塊",每個重約3噸,包含1,700個晶體。平坦的ECAL端蓋封住了桶的兩端,由近15,000個晶體組成。
為了獲得額外的空間精度,ECAL還包含位於端蓋前面的預淋浴探測器。這使CMS能夠區分單個高能光子(通常是令人興奮的物理現象的跡象)和不太有趣的低能光子對。
在端蓋處,ECAL內表面被預淋浴子探測器覆蓋,由兩層鉛夾在兩層矽條探測器之間組成。其目的是幫助區分π介子和光子。
第3層 – 強子量能器[編輯]
強子量能器(HCAL)測量強子的能量,強子是由夸克和膠子組成的粒子(例如質子、中子、π介子和K介子)。此外,它還提供不相互作用的、無電荷粒子(如中微子)存在的間接測量。
HCAL由密集材料(黃銅或鋼)層與塑料閃爍體瓦片交錯組成,通過波長轉換光纖由混合光電二極體讀出。這種組合被確定為允許在磁體線圈內放置最大量的吸收材料。
高贗快度區域(3.0 < |η| < 5.0)由強子前向(HF)探測器測量。位於相互作用點兩側11米處,它使用稍微不同的技術,即鋼吸收體和石英光纖讀出,旨在更好地分離擁擠的前向區域中的粒子。 HF也用於測量CMS中的相對在線亮度系統。