Семён Турчихин

Мюонные детекторы CMS:
дрейфовые трубки, катодные полосковые камеры, камеры с резистивными пластинами

     Введение. Общий обзор детектора CMS

    Детектор CMS (Compact Muon Solenoid) — один из четырёх основных детекторов, установленных на Большом Адронном Коллайдере. Он представляет собой цилиндрическую конструкцию, окружающую трубу ускорителя в одном из мест столкновения пучков. Длина детектора составляет около 22 м, диаметр — 15 м, масса — 15 тысяч тонн. Наряду с детектором ATLAS, находящимся на противоположной стороне кольца LHC, CMS является многоцелевым детектором: в его задачи входят поиск бозона Хиггса, исследование суперсимметрии, проверка ряда экзотических теорий, таких как наличие большого количества измерений пространства, и др.
    Поперечный срез детектора изображён на рис. 1. В центре, у самой точки столкновения, располагаются полупроводниковые трековые детекторы: пиксельные (до радиуса 11 см) и полосковые (до 130 см). Они предназначены для определения треков частиц вблизи оси пучка. За ними расположены калориметры — электромагнитный и адронный, — определяющие энергии соответствующих частиц. Всё это помещено внутрь соленоидального магнита, а снаружи его находится система детектирования мюонов.

    Магнит CMS является крупнейшим когда-либо созданным сверхпроводящим магнитом. Вместо внутреннего сердечника он имеет внешнее железное ярмо (самый тяжёлый компонент детектора — его масса более 10 тыс. т), не дающее силовым линиям магнитного поля расходиться. Это позволяет создавать поле высокой напряжённости не только внутри, но и снаружи соленоида. Сильное поле и вместе с тем относительно малые размеры всего детектора являются одним из основных отличий CMS от «братского» эксперимента ATLAS.

     Мюонная система детектора CMS

    С наружи сверхпроводящего соленоида CMS находится комплекс мюонных детекторов. Его камеры чередуются со слоями железного ярма магнита.
    Мюоны представляют особую важность для эксперимента, поскольку в ряде случаев по их появлению и кинематическим характеристикам можно судить о том, что имело место интересное событие. Данные о мюонах используются в триггерах — программно-аппаратных системах, призванных принять решение, нужно ли сохранять полученную с детекторов информацию, или же событие не представляет интереса с точки зрения редкой физики.
    Мюоны в отличие от прочих регистрируемых детекторами частиц очень медленно теряют энергию при прохождении сквозь вещество: они не участвуют в сильных взаимодействиях, и поэтому слабо рассеиваются на ядрах, и, имея большую массу, не могут эффективно передавать энергию электронам при столкновениях. Поэтому энергию мюонов невозможно измерить с помощью калориметров. В то же время, это свойство позволяет достоверно отличать их от других частиц: мюонные камеры размещаются во внешних слоях детектора, куда долетают исключительно мюоны.
    Геометрически мюонный детектор состоит из цилиндрической части, окружающей боковую поверхность цилиндра соленоида и перекрывающей кинематическую область с псевдобыстротами |η|<1,3, и торцевой, закрывающей периферию оснований этого цилиндра, — область 0,9<|η|<2,4. Размеры и взаимное расположение модулей видно на рис. 2.

    В разных частях мюонного детектора применены различные типы детектирующих элементов. В цилиндрической части, где магнитное поле невелико (0,4-0,8 Тл), и поток частиц не превышает 10 с^-1·см^-2, оптимальных оказывается использование дрейфовых трубок (drift tubes). В торцевой области, где поле достигает 3 Тл, а  поток частиц 1000 с^-1·см^-2, используются катодные полосковые камеры (cathode strip chambers), дающие лучшее пространственное разрешение. Кроме того как в цилиндрической, так и в торцевой частях размещены камеры с резистивными пластинами (resistive plate chambers), которые  позволяют быстро и точно производить измерения времени пролёта мюона. Рассмотрим данные детекторы по порядку.

Дрейфовые трубки

    Поперечный разрез дрейфовой трубки показан на рис. 3. Каждая такая трубка имеет длину 2,4 м. Мюон, попадая внутрь, может ионизировать атом газа (используется газовая смесь 85 % Ar и 15 % CO₂), выбив из него электрон. Под действием поля, создаваемого катодами, приклеенными на стенках, и анодом — тонким проводом (диаметром 50 мкм), натянутым вдоль всей трубки, электрон начнёт движение к последнему. Когда он его достигнет, будет зарегистрирован импульс тока. Зная задержку, с которой он появился, можно оценить, на каком расстоянии от анода произошла ионизация, а проанализировав данные от нескольких трубок, определить координату с точностью, значительно превышающей поперечные размеры трубки.
    Такие трубки располагаются в шахматном порядке и группируются в сборочные модули. Эти модули располагаются цилиндрически вокруг оси пучка параллельно ей: 5 групп по 4 концентрических кольца разного диаметра (на рис. 2 видны 2,5, т. к. показана только четверть детектора). Каждое кольцо включает 12 модулей-секторов. Таким образом дрейфовые трубки могут регистрировать координаты пролетающих мюонов в плоскости r-φ. Их расположение позволяет определять её с точностью порядка 250 мкм.

Катодные полосковые камеры

    Катодные полосковые камеры располагаются в торцевой части детектора. Они размещаются в виде колец, перпендикулярных оси пучка. Всего камер 468, и они сгруппированы в 8 групп, как видно на рис. 4.
    Сама катодная полосковая камера представляет собой пропорциональную газовую камеру, выполненную в форме трапеции (рис. 4). В нём в азимутальном направлении натянуты проволоки — аноды, а перпендикулярно им — вдоль радиусов — располагаются медные полоски — катоды. В качестве заполняющего газа используется смесь 30 % Ar, 50 % CO₂, 15 % CF₄. Одна камера состоит из 6 таких слоёв.
    Частица, влетая в камеру, ионизирует атом газа, и возникает лавинный разряд. Регистрируется импульс тока на аноде, это позволяет определить координату по радиусу. Азимутальная координата также определяется путём анализа заряда, наведённого на разных полосках-катодах. Т. о. за счёт перпендикулярного расположения проволок и полосок удаётся определить обе пространственные координаты в плоскости  r-φ. Перекрытие камер обеспечивает непрерывное покрытие всей области по азимутальному углу. Пространственное разрешение камер составляет в итоге порядка 200 мкм.

Камеры с резистивными пластинами

Рис. 5. Камера с резистивными пластинами

    Ещё один тип мюонных детекторов на CMS — газовые камеры с резистивными пластинами. Они расположены как в цилиндрической, так и в торцевой части детектора (рис. 5).
    Камера состоит из двух раздельных плоских полостей толщиной около 2 мм каждая. Они ограничены стенками из особой пластмассы с высоким сопротивлением. Противоположные стенки являются анодом и катодом. Две полости обращены друг к другу анодами, и между ними находятся медные полоски, которые и регистрируют импульс от пришедшего электрона (рис. 5). Камеры работают в пропорциональном режиме — при ионизации атома газа возникаем лавинный разряд.
    Важной особенностью этого типа детекторов является высокая точность определения времени пролёта мюона и быстрый отклик. Это эффективно используется при сопоставлении трека мюона и сгустка, в столкновении которого он образовался. Однако пространственное разрешение этого типа газовых камер значительно ниже, чем у других описанных.
    В цилиндрической части детектора камеры с резистивными пластинами установлены в виде 6 коаксиальных цилиндров, окружающих ось пучка. Как видно из рис. 2, они расположены параллельно модулям дрейфовых трубок. В торцевой части эти камеры размещены на 3-х параллельных дисках, где они также совмещены с катодными полосковыми детекторами. Камеры выполнены в форме трапеций и перекрываются по азимутальному углу, обеспечивая непрерывное покрытие.

Мюонный триггер

    Важнейшим свойством мюонного детектора является возможность его эффективного использования в триггерах благодаря быстрому определению импульсов и низкому уровню фона (до мюонного детектора практически не долетают посторонние частицы).
    Вся триггерная система делится на триггер первого уровня (Level-1 trigger), выполненного аппаратно, и высокоуровневого триггера (High-Level trigger), представляющего собой программную систему. При интенсивности событий 40 МГц (столкновения сгустков происходят каждые 25 нс) триггеры позволяют уменьшить поток до сотни событий в секудну, представляющих физический интерес. Схема работы триггера перого уровня CMS показана на рис. 6.
    Имеются 3 триггерных системы низшего уровня, обрабатывающих сигналы с каждого из типов мюонных детекторов. На следующем уровне данные с дрейфовых трубок и катодных полосковых камер сопоставляются с целью первичной реконструкции треков по сегментам, предоставленных этими детекторами. Наконец, глобальный мюонный триггер сопоставляет данные со всех трёх детекторов, улучшая разрешение по импульсу, и отправляет эти данные глобальному триггеру, который, получая данные также с калориметрического триггера, определяет, нужно ли сохранять это событие.

Заключение

    Были рассмотрены различный типы детекторов, используемых для регистрации мюонов в эксперименте CMS. Они покрывают кинематический диапазон |η|<2,4 и, работая совместно, должны позволять достичь эффективности реконструкции мюонов 95—98 %, за исключением узких по псевдобыстроте областей, соответствующих промежуткам между модулями дрейфовых трубок и переходу между дрейфовыми трубками и катодными полосковыми камерами, где эффективность может падать (данные получены путём моделирования отклика детектора для сгенерированных Монте-Карло-методом событий).
    Разрешение детектора по импульсу зависит от его величины и составляет около 9 % для поперечно импульса до 200 ГэВ и от 15 % до 40 % для значений порядка 1 ТэВ (в зависимости от псевдобыстроты). Однако при дальнейшем совместном анализе данных с внутреннего трекового детектора это значение удаётся снизить до 5 %.

     Список литературы

1. The CMS Collaboration, CMS physics: Technical Design Report, CERN-LHCC-2006-001; CMS-TDR-008-1 (http://cdsweb.cern.ch/record/922757/files/lhcc-2006-001.pdf)
2. The CMS Collaboration, S Chatrchyan et al, The CMS experiment at the CERN LHC, 2008 JINST 3 S08004 (http://www.iop.org/EJ/article/1748-0221/3/08/S08004/jinst8_08_s08004.pdf)
3. M. Fernandez García, CMS muon system status, J. Phys.: Conf. Ser. 110 (2008) 092010 (http://www.iop.org/EJ/article/-search=67546432.1/1742-6596/110/9/092010/jpconf8_110_092010.pdf)
4. Элементы: Детектор CMS (http://elementy.ru/LHC/LHC/accelerator/detectors/CMS)