Детекторный комплекс CMS

    Детекторный комплекс (детектор) CMS (Compact Muon Solenoid − Компактный мюонный соленоид) − один из двух больших универсальных детекторов на LHC. В коллаборацию CMS входят 183 лабораторий и университетов из 38 стран, включая Россию. Длина детектора − 25 м, диаметр − 15 м.  CMS "компактнее" другого большого детектора на LHC − ATLAS (длина 43 м, диаметр 22 м). CMS имеет огромный и мощный сверхпроводящий магнит (~4 Тесла), охватывающий трекер и калориметры, и огромный объем кремниевого трекера с радиусом 1.2 м. ATLAS имеет менее мощный магнит (2 Tл), кремниевый трекер с радиусом 0.5 м и  трекер переходного излучения с радиусом 1.2 м.  Из-за своего магнита, CMS очень тяжелый − 15000 тонн. ATLAS весит "всего" 7000 тонн. У CMS кристаллический электромагнитный калориметр (PbW0₄) с хорошим энергетическим разрешением. ATLAS оснащен сильно гранулированным калориметром с жидким аргоном (LAr) с хорошим пространственным разрешением. Экспериментальные возможности CMS и ATLAS сравнимы. На CMS максимализировалось магнитное поле при минимализации размеров, на ATLAS наоборот.
    Одной из основных задач, которые надеялись решить с помощью Большого адронного коллайдера, был поиск бозона Хиггса. Векторные бозоны распадаются или на кварковые, или лептонные пары. Однако из-за гигантского фона сильных процессов на адронном коллайдере, детектирование лептонного канала предпочтительно. В связи с этим, детектор LHC был преимущественно нацелен на детектирование лептонов.
    CMS имеет "традиционную" структуру: трекер − калориметры − мюонные детекторы (рис. 1, 2).

Рис.1. Детектор CMS.

Рис. 2. Сечение детектора CMS.

Магнит

    Главная достопримечательность CMS − его магнит. Это самый большой сверхпроводящий магнит, который когда-либо создавался. У него есть "возвратное" ярмо, благодаря которому создается сильное магнитное поле снаружи барреля. В барреле находятся трекеры и калориметры, снаружи − мюонные детекторы. Когда мюоны попадают во внешнюю область, они под действием магнитного поля ярма отклоняются в обратную сторону (см. рис. 2). Ярмо служит также фильтром, пропуская только мюоны и слабо взаимодействующие частицы, в частности нейтрино.
    Магнит поддерживается при температуре жидкого гелия.

Трекинговая система

Рис. 3. Схема пиксельного детектора.

    Ближе всего к оси пучка расположен пиксельный детектор. В этой области поток частиц гигантский. Так на расстоянии 8 см от пучка, на 1 см² площади приходится около 10 млн. частиц в секунду. Пиксельный детектор должен быть способен распутать и восстановить все треки, которые они оставляют, и выдерживать такую бомбардировку в течение длительного времени. Пиксельный детектор (рис. 3) состоит из трех цилиндрических слоев с радиусами 4, 7 и 11 см и содержит 65 млн. 100×150 мкм пикселей.

Рис. 4. Схема трекинговой системы.

    На бóльших расстояниях от оси пучка, вплоть до радиуса 130 см, расположены десять слоев кремниевого полоскового детектора. Первые четыре слоя содержат полоски (стрипы)
10 см × 180 мкм, затем еще 6 слоев со стрипами
25 см × 180 мкм (рис. 4). Всего в полосковом детекторе около 10 миллионов стрипов, информация с которых считывается 80 тысячами каналов сбора данных. Полосковый детектор поддерживается при температуре –20°C.
    Загрузка при полной светимости LHC по оценкам должна составить 1% для пиксельного трекера и 1-2% для полоскового.
    Трекинговая система CMS − самый большой кремниевый детектор в мире. Общая площадь чувствительных кремниевых сенсоров более 200 м². Это приблизительно как теннисный корт.

Предливневый детектор

    Одна из основных задач электромагнитного калориметра при поиске бозона Хиггса, регистрация высокоэнргетичных фотонов, которые возникают при его распаде. Однако, образующиеся π⁰-мезоны, имеющие малые времена жизни, также распадаются на фотоны и сигналы от двух фотонов могут суммироваться и имитировать фотоны от распада бозона Хиггса. Электромагнитный калориметр может не различить эти события. Для решения этой проблемы перед электромагнитным калориметром установлен предливневый детектор.
    Предливневые детекторы расположены в торцах, где угол между направлениями двух фотонов распада π⁰-мезона может быть мал. Предливневый детектор представляет из себя два слоя свинцового поглотителя, между которыми расположены кремниевые сенсоры, похожие на сенсоры в трекере. Когда фотон проходит свинцовый поглотитель, он вызывает электромагнитный ливень, включающий в себя электрон-позитронные пары, которые детектируются в сенсоре. Отсюда извлекается энергия фотона. Так как в предливневом детекторе два слоя, можно определить координаты фотона. Когда "подозрительный" высокоэнергетичный фотон детектируется в электромагнитном калориметре, можно экстраполировать его трек в точку столкновения и оценить его вклад в отклик преливневого детектора, добавить этот вклад в отклик электромагнитного калориметра и сделать заключение был ли это действительно один высокоэнергетичный фотон или фотонная пара.
    В каждом предливневом детекторе используется 18 м² кремниевых полосковых детекторов. Каждый кремниевый сенсор размерами около 6.3см×6.3см×0.3мм разделен на 32 стрипа, образуя сетку в торцах, покрывая практически всю площадь торца электромагнитного калориметра. Это диск с отверстием диаметра 50 см в середине для трубопровода пучка. Диск имеет толщину всего 20 см, но в не вписаны два слоя поглотителя, два слоя сенсоров с электроникой, а также системы нагрева и охлаждения. Последнее необходимо, так как кремниевые детекторы должны работать пр температуре между -10^oC и -15^oC. Расположенный рядом электромагнитный калориметр с PbW0₄ очень чувствителен к температуре, которая должна поддерживаться с точностью 0.1^oC. Таким образом, предливневый детектор должен холодным внутри и теплым снаружи.
    Предливневый детектор имеет существенно лучшую гранулярность (стрипы шириной 2 мм), чем электромагнитый калориметр (кристалы шириной 3 см). Соответственно предливневый детектор способен различить отдельные фотоны из распада π⁰-мезона.

Электромагнитный калориметр

    После трекинговой системы и предливневого детектора находится электромагнитный калориметр.
    Гомогенный электромагнитный калориметр детекторного комплекса CMS  содержит 76200 кристаллов вольфрамата свинца (PbW0₄) (рис. 5), 61200 – в цилиндрической части (барреле) и 15000 – на обоих  торцах. Размеры кристаллов 2.2×2.2×23 см в барреле и 3×3×22 см на торцах. Кристаллы находятся в матрицах из углеродного или стекловолокна, образуя так называемые модули супермодули и суперкристаллы.

Рис. 5. Кристалл PbW04 с вакуумным фототриодом.

Рис. 6. Электромагнитный калориметр CMS.

Учитывая малую радиационную длину (0.89 см) и малый мольеровский радиус (2.19 см) PbW0₄, электромагнитные ливни неплохо умещаются в пределах одного кристалла. Калориметр находится в магнитном поле 4 Тл. Свет регистрируется лавинными фотодиодами (цилиндрическая часть калориметра) и вакуумными фототриодами (торцевая часть калориметра), устойчивыми к магнитному полю.

Адронный калориметр

Рис. 7. Компоненты калориметров CMS. EB и EE –цилиндрическая и торцевая части электромагнитного калориметра, HE и HB –цилиндрическая и торцевая части адронного калориметра, PS – предливневый детектор. Показана толщина в единицах ядерной длины λh при η = 0.

   Адронный гетерогенный калориметр CMS состоит из центральной (HB), внешней (HO), торцевой (HE) и передней (HF) секций. HB и HE-калориметры находятся в поле соленоида. Секции HF – форвард-калориметры находятся на обоих концах CMS. HB-калориметр состоят из 36 отдельных «клиньев» каждая, каждый весом 26 тонн, плюс еще 36 клиньев чуть меньшего размера установлены на HE-калориметре. В HB и HE-калориметрах используется латунь. Полоски латуни толщиной 5 см используются в HB-калориметре и 8 см – в HE-калориметре. Они прослоены чувствительными ячейками пластического сцинтиллятора с общим числом 8 тысяч каналов считывания. Так как толщина HB-калориметра может оказаться недостаточной для поглощения адронного ливня, организован еще один – HO-калориметр. Для этого, после первого мюонного поглотителя установлены сцинтилляционные плитки. Таким образом был организован дополнительный адронный HO-калориметр.
    Для того, чтобы увеличить диапазон по бсевдобыстротам η до 5, после после мюонных детекторов  установлены адронные форвард-калориметры (3 < η < 5. В качестве абсорбера в нем используются кварцевые волокна внедренные в стальную поглощающую матрицу. Под воздействием ультрарелятивистских частиц в кварце генерируется черенковское излучение, которое регистрируется ФЭУ.
    Световые сигналы от сцинтилляторов считывается светопреобразующими волокнами а затем по оптическим волокнам передаются фотодетекторам. Установленные на CMS гибридные фотодиоды (HB, HO, HE) постепенно заменяют на микропиксельные лавинные фотодиоды.

Мюонные детекторы

Рис. 8. Продольное сечение одного квадранта детектора CMS. Расположение мюонных детекторов.

    Само название "Компактный мюонный соленоид" говорит о том, что детектирование мюонов на CMS – одна из основных его задач. Почти все известные частицы, кроме мюонов и нейтрино, останавливаются в калориметрах. Так что после калориметров только мюоны могут производить сигналы в детекторах. Поэтому мюонные детекторы устанавливаются в самом конце детекторного комплекса (рис. 1, 2).
    Для идентификации мюонов и измерения их импульсов на CMS используются детекторы трех типов: дрейфовые трубки, катодные полосковые камеры и камеры с резистивными пластинами (рис. 8). Дрейфовые трубки (DT) и катодные полосковые камеры (CSC) используются для прецизионного измерения треков,  DT – в центральной цилиндрической области, CSC  – на торцах. Камеры с резистивными пластинами (RPC) позволяют точно засекать момент, когда мюон проходит через мюонный детектор. Они установлены как в цилиндрической части (барреле), так и на торцах.

Дрейфовые трубки

    Мюонная система DT содержит 250 дрейфовых трубок шириной 42 мм. Трубки наполнены газом (85% Ar + 15% CO₂ ) и в них протянуты проволоки (аноды), которые находятся под положительны напряжением (рис. 9). Состав газа и электронная оптика трубки оптимизированы так, чтобы обеспечить линейную зависимость времени дрейфа от расстояния. Из четырех слоев параллельно расположенных дрейфовых трубок формируется суперслой (superlayer) (рис. ).

Рис. 9. Схема дрейфовой трубки. Напряжение на электродах +3600 В, анодах +1800 В, катодах -1200 В. Верхние и нижние алюминиевые пластины заземлены.

Рис. 10. Суперслой из четырех слоев, расположенных в шахматном порядке.

Из суперслоев формируются камеры. Камера (2м×2.5м) состоит из двух суперслоев для измерения r-φ координат и перпендикулярного к ним одного суперслоя для измерения r-Z координат (рис. 11). Камеры находятся в пяти кольцах, каждое из которых состоит и 12 секторов. В секторе одна камера находится внутри ярма, две − встроены в ярмо, одна − вне ярма (рис. 12).

Рис. 11. Схема камеры.

Рис. 12. Сечение барреля.

    При прохождении через дрейфовую трубку заряженной частицы (мюоны) образуются свободные электроны, которые дрейфуют к аноду. Для определения координат частицы в CMS используются два алгоритма. Один из них базируется на приближении постоянной скорости дрейфа электронов. Тогда расстояние х, которое пролетел электрон будет

x = v_drift·t_drift,

где v_drift·и t_drift − скорость и время дрейфа, которые определяются в результате калибровки.

Катодные полосковые камеры

Рис. 13. Катодная стриповая камера.

    Катодные полосковые (стриповые) камеры (рис. 13) это многопроволочные пропорциональные камеры, которые состоят из шести плоскостей анодных проволочек и, перпендикулярно к ним расположенных, семи плоскостей катодных стрипов. Катодные стрипы имеют трапециодальную форму (Δφ = const). В камерах используется газовая смесь(40% Ar + 50% CO₂ + 10% CF₄).
    При пролете мюонов через камеру, из атомов газа выбиваются электроны, которые стекаются к анодным проволокам, создавая электронную лавину. Лавина вокруг анода индуцирует заряды на катодных стрипах (см. рис. 14). Распределение заряда на катодных стрипах имеет полную ширину на половине высоты приблизительно в полтора раза бóлшую чем расстояние между анодом и катодом. Так как проволоки и стрипы перпендикулярны, с катодных полосковых камер снимается двумерная пространственная информация.  Катодные полосковые камеры обеспечивают измерение φ-координаты мюонных треков с точностью до ~100 мкм. Временное разрешение порядка наносекунд.

Рис. 14. Электронная лавина и индуцированный на катодных стрипах заряд.

    Всего система CSC включает более 500 мюонных камер, которые содержат около 2.5 миллионов проволок, сгруппированных в ~211 000 анодных каналов считывания. Кроме того, имеется ~270 000 катодных каналов.
    Из катодные полосковых камер формируются мюонные станции (ME1-ME4) (см. рис.8 ). Полная площадь, покрываемая катодными полосковыми камерами, составляет приблизительно 1000 м².

Камеры с резистивными пластинами

Рис. 15. Схема двухзазорной камеры с резистивными пластинами.

    На CMS установлены двухзазорные камеры с резистивными пластинами, работающими в лавинном режиме. Основная их задача − служить быстрыми триггерами для мюонной системы. Время между последовательными пересечениями банчей LHC 25 нс. Малое время отклика (~нс) RPC позволяет однозначно связать конкретное событие пересечения банчей с мюонным треком в условиях высокой загрузки и большого фона, характерных для LHC. Сигналы с RPC обеспечивают измерение времени и координат (Δx ~ 1 см) с точностью достаточной, чтобы эффективно производить отбор интересующих событий в условиях, когда потоки могут достигать 10³ Гц/см².
    Модуль RPC (рис. 15) содержит 4 диэлектрические пластины (бакелит), толщиной 2 мм каждая. Между ними − два газовых (C₂H₂F₄ + iso-C₄H₁₀ + SF₆) промежутка толщиной 2 мм. Бакелитовые пластины служат электродами. Считывание сигнала осуществляется стрипами, которые расположены между парами бакелитовых пластин.
    Когда мюон пролетает через газовый промежуток, в нем возникает электронная лавина, которая попадая на анод индуцирует заряд на считывающем стрипе. Так как бакелитовые аноды расположены по обеим сторонам стрипов, сигналы суммируются.
    RPC расположены как в цилиндрической, так и в торцевой части детектора (см. рис. 8).
В цилиндрической части детектора камеры с резистивными пластинами установлены в виде 6 коаксиальных цилиндров, окружающих ось пучка. Они расположены параллельно модулям дрейфовых трубок. В торцевой части эти камеры размещены на 3-х параллельных дисках. Камеры выполнены в форме трапеций и перекрываются по азимутальному углу, обеспечивая непрерывное покрытие.

    В состав детекторного комплекса CMS входит также калориметр CASTOR.

Литература

• Игорь Иванов. Детектор CMS
• Lucas Taylor. Detector CMS
• The CMS experiment at the CERN LHC
• CMS Physics. Technical Design Report. Volume I: Detector Performance and Software
• Paoti Chang. The CMS Detector.
• Marcos Fernández García. CMS Muon System Status
• Offline calibration procedure of the CMS Drift Tube detectors
• Darin Acosta. Muon Detectors in CMS
• Maria Monica Necchi. Resistive Plate Chambers: from high energy physics to biomedical applications
• Christian Lippmann. Detector Physics of Resistive Plate Chambers
• Resistive plate chambers