CMS

Πώς λειτουργεί το CMS 

Η δουλειά του είναι να κάμπτει τις διαδρομές των σωματιδίων που αναδύονται από συγκρούσεις υψηλής ενέργειας στον LHC. Όσο περισσότερη ορμή έχει ένα σωματίδιο τόσο μικρότερη είναι η καμπύλη της διαδρομής του από το μαγνητικό πεδίο, επομένως η ανίχνευση της διαδρομής του δίνει ένα μέτρο ορμής. Το CMS ξεκίνησε με στόχο να έχει τον ισχυρότερο δυνατό μαγνήτη, επειδή ένα πεδίο υψηλότερης ισχύος κάμπτει περισσότερο τα μονοπάτια και, σε συνδυασμό με μετρήσεις θέσης υψηλής ακρίβειας στους ανιχνευτές ιχνηλάτη και μιονίων, αυτό επιτρέπει την ακριβή μέτρηση της ορμής ακόμη και σωματιδίων υψηλής ενέργειας.

Ο μαγνήτης CMS είναι ένα "σωληνοειδές" - ένας μαγνήτης κατασκευασμένος από πηνία σύρματος που παράγουν ένα ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο όταν ρέει ηλεκτρισμός μέσα από αυτά. Ο μαγνήτης CMS είναι «υπεραγώγιμος», επιτρέποντας στον ηλεκτρισμό να ρέει χωρίς αντίσταση και δημιουργώντας ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Στην πραγματικότητα, σε συνηθισμένες θερμοκρασίες, ο ισχυρότερος δυνατός μαγνήτης έχει μόνο τη μισή ισχύ της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας CMS.

Οι ανιχνευτές ιχνηλάτη και θερμιδόμετρου (ECAL και HCAL) εφαρμόζουν άνετα μέσα στο πηνίο μαγνήτη, ενώ οι ανιχνευτές μιονίων παρεμβάλλονται με μια δομή σιδήρου 12 όψεων που περιβάλλει τα πηνία μαγνήτη και περιέχει και καθοδηγεί το πεδίο. Αποτελούμενος από τρία στρώματα, αυτός ο «ζυγός επιστροφής» έχει διάμετρο 14 μέτρα και λειτουργεί επίσης ως φίλτρο, επιτρέποντας μόνο τη διέλευση μιονίων και ασθενώς αλληλεπιδρώντων σωματιδίων όπως τα νετρίνα. Ο τεράστιος μαγνήτης παρέχει επίσης το μεγαλύτερο μέρος της δομικής υποστήριξης του πειράματος και πρέπει να είναι πολύ ισχυρός για να αντέχει τις δυνάμεις του δικού του μαγνητικού πεδίου.

Ο μαγνήτης CMS…

Η μέτρηση της ορμής των σωματιδίων είναι κρίσιμη για να μας βοηθήσει να δημιουργήσουμε μια εικόνα του τι συμβαίνει στην καρδιά της σύγκρουσης. Μια μέθοδος για τον υπολογισμό της ορμής ενός σωματιδίου είναι η παρακολούθηση της διαδρομής του μέσα από ένα μαγνητικό πεδίο. όσο πιο κυρτή η διαδρομή, τόσο λιγότερη ορμή είχε το σωματίδιο. Ο ανιχνευτής CMS καταγράφει τις διαδρομές που ακολουθούν τα φορτισμένα σωματίδια μετρώντας τις θέσεις τους σε ορισμένα σημεία.
Ο ανιχνευτής μπορεί να ανακατασκευάσει τα μονοπάτια μιονίων, ηλεκτρονίων και αδρονίων υψηλής ενέργειας (σωματίδια που αποτελούνται από κουάρκ) καθώς και να δει ίχνη που προέρχονται από τη διάσπαση πολύ βραχύβιων σωματιδίων όπως τα κουάρκ ομορφιάς ή τα «β κουάρκ» που είναι για παράδειγμα χρησιμοποιείται για τη μελέτη των διαφορών μεταξύ ύλης και αντιύλης.

Ο ιχνηλάτης πρέπει να καταγράφει τις διαδρομές σωματιδίων με ακρίβεια, αλλά να είναι ελαφρύς, ώστε να ενοχλεί το σωματίδιο όσο το δυνατόν λιγότερο. Αυτό το επιτυγχάνει λαμβάνοντας μετρήσεις θέσης τόσο ακριβείς που τα κομμάτια μπορούν να ανακατασκευαστούν αξιόπιστα χρησιμοποιώντας μόνο μερικά σημεία μέτρησης. Κάθε μέτρηση είναι ακριβής στα 10 μm, ένα κλάσμα του πλάτους μιας ανθρώπινης τρίχας. Είναι επίσης το πιο εσωτερικό μέρος του ανιχνευτή CMS και έτσι δέχεται τον υψηλότερο όγκο σωματιδίων: τα υλικά κατασκευής επιλέχθηκαν προσεκτικά για να αντιστέκονται στην ακτινοβολία.
Ο τελικός σχεδιασμός αποτελείται από έναν ιχνηλάτη κατασκευασμένο εξ ολοκλήρου από στοιχεία ανίχνευσης πυριτίου: τα εικονοστοιχεία, στον πυρήνα του ανιχνευτή και ασχολούνται με την υψηλότερη ένταση σωματιδίων, και τους ανιχνευτές μικρολωρίδων πυριτίου που τον περιβάλλουν. Καθώς τα σωματίδια ταξιδεύουν μέσω του ιχνηλάτη, τα εικονοστοιχεία και οι μικρολωρίδες παράγουν μικροσκοπικά ηλεκτρικά σήματα που ενισχύονται και ανιχνεύονται. Τα σήματα αποθηκεύονται στη μνήμη των τσιπ για αρκετά μικροδευτερόλεπτα και στη συνέχεια υποβάλλονται σε επεξεργασία πριν σταλούν σε λέιζερ για να μετατραπούν σε υπέρυθρους παλμούς. Αυτά στη συνέχεια μεταδίδονται μέσω ενός καλωδίου οπτικών ινών 100 μέτρων για ανάλυση σε περιβάλλον χωρίς ακτινοβολία. Ο ιχνηλάτης χρησιμοποιεί 40.000 τέτοιες ζεύξεις οπτικών ινών παρέχοντας έναν μικρό και ελαφρύ τρόπο μεταφοράς του σήματος. Μεγάλο μέρος της τεχνολογίας πίσω από τα ηλεκτρονικά συστήματα παρακολούθησης προήλθε από την καινοτομία σε συνεργασία με τη βιομηχανία.

Ο ανιχνευτής χρησιμοποιεί αισθητήρες που καλύπτουν μια περιοχή στο μέγεθος ενός γηπέδου τένις, με 135 εκατομμύρια ξεχωριστά ηλεκτρονικά κανάλια ανάγνωσης: στον ανιχνευτή pixel υπάρχουν περίπου 6600 συνδέσεις ανά τετραγωνικό εκατοστό. Οι αισθητήρες πυριτίου είναι ιδιαίτερα κατάλληλοι για τη λήψη πολλών σωματιδίων σε μικρό χώρο λόγω της γρήγορης απόκρισής τους και της καλής χωρικής τους ανάλυσης.
Ο ανιχνευτής λωρίδων CMS εγκαταστάθηκε στο CMS στα τέλη του 2007 και βρίσκεται σε συνεχή λειτουργία από το 2008. Ο αρχικός ανιχνευτής pixel CMS λειτούργησε κατά τα έτη 2009 – 2016 και αντικαταστάθηκε από τον ανιχνευτή εικονοστοιχείων CMS Phase-1 σε ένα εκτεταμένο τέλος έτους στάση 2016/2017.

Ανιχνευτής εικονοστοιχείων 

Ο ανιχνευτής εικονοστοιχείων, αν και είναι περίπου στο μέγεθος μιας μικρής βαλίτσας, περιέχει 124 εκατομμύρια pixel, επιτρέποντάς του να παρακολουθεί τις διαδρομές των σωματιδίων που αναδύονται από τη σύγκρουση με εξαιρετική ακρίβεια. Είναι επίσης ο πλησιέστερος ανιχνευτής στον σωλήνα δέσμης, με κυλινδρικά στρώματα περίπου 3 cm, 7 cm, 11 cm και 16 cm και δίσκους σε κάθε άκρο, και έτσι θα είναι ζωτικής σημασίας για την ανακατασκευή των ιχνών των πολύ βραχύβιων σωματιδίων.

Κάθε ένα από τα τέσσερα στρώματα αποτελείται από μεμονωμένες μονάδες πυριτίου, χωρισμένες σε μικρούς αισθητήρες πυριτίου, σαν μικροσκοπικά πλακάκια κουζίνας: τα pixel. Κάθε ένα από αυτά τα εικονοστοιχεία πυριτίου είναι 100μm επί 150μm, περίπου δύο τρίχες πλάτος. Όταν ένα φορτισμένο σωματίδιο διέρχεται από ένα εικονοστοιχείο, δίνει αρκετή ενέργεια για να εκτοξεύσει τα ηλεκτρόνια από τα άτομα του πυριτίου. Η τάση που εφαρμόζεται στον αισθητήρα επιτρέπει τη συλλογή αυτών των φορτίων ως ένα μικρό ηλεκτρικό σήμα, το οποίο ενισχύεται από ένα ηλεκτρονικό τσιπ ανάγνωσης (για συνολικά 16 τσιπ ανά μονάδα).

Γνωρίζοντας ποια εικονοστοιχεία έχουν αγγίξει, μας επιτρέπει να συμπεράνουμε την τροχιά του σωματιδίου. Και επειδή ο ανιχνευτής είναι κατασκευασμένος από 2D πλακίδια και έχει τέσσερα στρώματα, μπορούμε να δημιουργήσουμε μια τρισδιάστατη εικόνα.

Ωστόσο, το να είσαι τόσο κοντά στη σύγκρουση σημαίνει ότι ο αριθμός των σωματιδίων που περνούν είναι τεράστιος: ο ρυθμός των σωματιδίων που λαμβάνονται στα 3 εκατοστά από τη γραμμή δέσμης είναι περίπου 600 εκατομμύρια σωματίδια ανά τετραγωνικό εκατοστό ανά δευτερόλεπτο! Ο ανιχνευτής εικονοστοιχείων είναι σε θέση να ξεμπερδέψει και να ανακατασκευάσει όλα τα ίχνη που αφήνουν πίσω τους τα σωματίδια και να αντέξει μια τέτοια χτύπημα κατά τη διάρκεια του πειράματος. 

Επειδή υπάρχουν 124 εκατομμύρια pixel, η ισχύς για το καθένα πρέπει να περιοριστεί στο ελάχιστο. Ακόμη και με μόνο περίπου 50 μικροβάτ ανά pixel, η συνολική ισχύς εξόδου είναι 7,5 kW - περίπου η ίδια με την ενέργεια που παράγεται από δύο ηλεκτρικούς φούρνους. Για να μην υπερθερμανθεί ο ανιχνευτής, τα pixel τοποθετούνται σε σωλήνες ψύξης και διατηρούνται στους -20°C βαθμούς. Η λειτουργία σε αυτή τη θερμοκρασία συμβάλλει επίσης στη μείωση των επιπτώσεων της ζημιάς στις μονάδες πυριτίου που προκαλούνται από τη συνεχή ροή σωματιδίων. 

Μετά τα εικονοστοιχεία και κατά την έξοδο τους από τον ιχνηλάτη, τα σωματίδια περνούν μέσα από δέκα στρώματα ανιχνευτών λωρίδων πυριτίου, φτάνοντας σε ακτίνα 130 εκατοστών.

Ο ανιχνευτής λωρίδας πυριτίου αποτελείται από τέσσερα εσωτερικά στρώματα κάννης (TIB) συναρμολογημένα σε κελύφη με δύο εσωτερικά τερματικά πώματα (TID), το καθένα αποτελούμενο από τρεις μικρούς δίσκους. Η εξωτερική κάννη (TOB) - που περιβάλλει τόσο το TIB όσο και το TID - αποτελείται από έξι ομόκεντρα στρώματα. Τέλος, δύο τερματικά πώματα (TEC) κλείνουν τον ιχνηλάτη σε κάθε άκρο. Κάθε ένα έχει μονάδες πυριτίου βελτιστοποιημένες διαφορετικά για τη θέση του μέσα στον ανιχνευτή.

Αυτό το τμήμα του ιχνηλάτη περιέχει 15.200 εξαιρετικά ευαίσθητες μονάδες με συνολικά περίπου 10 εκατομμύρια ταινίες ανιχνευτή που διαβάζονται από 72.000 μικροηλεκτρονικά τσιπ. Κάθε μονάδα αποτελείται από τρία στοιχεία: έναν ή δύο αισθητήρες πυριτίου, τη δομή μηχανικής υποστήριξης και τα ηλεκτρονικά ανάγνωσης.

Οι ανιχνευτές πυριτίου λειτουργούν σχεδόν με τον ίδιο τρόπο όπως τα εικονοστοιχεία: καθώς ένα φορτισμένο σωματίδιο διασχίζει το υλικό χτυπά ηλεκτρόνια από άτομα δίνοντας έναν πολύ μικρό παλμό ρεύματος που διαρκεί μερικά νανοδευτερόλεπτα. Αυτή η μικρή ποσότητα φόρτισης στη συνέχεια ενισχύεται από τα τσιπ Αναλογικής Τάσης Σωληνώσεων (APV25), δίνοντάς μας «χτυπήματα» όταν περνάει ένα σωματίδιο, επιτρέποντάς μας να ανακατασκευάσουμε τη διαδρομή του. Τέσσερα ή έξι τέτοια τσιπ στεγάζονται σε ένα «υβρίδιο», το οποίο περιέχει επίσης ηλεκτρονικά στοιχεία για την παρακολούθηση βασικών πληροφοριών αισθητήρων, όπως η θερμοκρασία, και την παροχή πληροφοριών χρονισμού προκειμένου να ταιριάζουν τα «χτυπήματα» με συγκρούσεις.

Λόγω της φύσης της δουλειάς τους, ο ιχνηλάτης και τα ηλεκτρονικά του χτυπιούνται από την ακτινοβολία, αλλά είναι σχεδιασμένα να αντέχουν. Για να ελαχιστοποιηθεί η διαταραχή στο πυρίτιο, αυτό το τμήμα του ανιχνευτή διατηρείται στους -20 o C, για να «παγώσει» κάθε ζημιά και να αποτραπεί η διαιώνιση.

Οι πληροφορίες σχετικά με τις ενέργειες των διαφόρων σωματιδίων που παράγονται σε κάθε σύγκρουση είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση του τι συνέβη στο σημείο σύγκρουσης. Αυτές οι πληροφορίες συλλέγονται από δύο είδη «θερμιδομέτρων» στο CMS.

Το Ηλεκτρομαγνητικό Θερμιδόμετρο (ECAL) είναι το εσωτερικό στρώμα των δύο και μετρά την ενέργεια των ηλεκτρονίων και των φωτονίων σταματώντας τα εντελώς. Τα αδρόνια, τα οποία είναι σύνθετα σωματίδια που αποτελούνται από κουάρκ και γκλουόνια, πετούν μέσω του ECAL και σταματούν από το εξωτερικό στρώμα που ονομάζεται Θερμιδομέτρηση Αδρονίων (HCAL) .

Προκειμένου να δημιουργηθεί μια εικόνα των γεγονότων που συμβαίνουν στον LHC, το CMS πρέπει να μετρήσει τις ενέργειες των αναδυόμενων σωματιδίων. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνια, λόγω της χρήσης τους στην ανακάλυψη του μποζονίου Higgs και άλλων νέων φυσικών.

Οι ενέργειες των ηλεκτρονίων και των φωτονίων μετρώνται χρησιμοποιώντας το ηλεκτρομαγνητικό θερμιδόμετρο CMS (ECAL). Η μέτρηση των ενεργειών τους με την απαραίτητη ακρίβεια στις πολύ αυστηρές συνθήκες του LHC - υψηλό μαγνητικό πεδίο, υψηλά επίπεδα ακτινοβολίας και μόνο 25 νανοδευτερόλεπτα μεταξύ των συγκρούσεων - απαιτεί ειδικά υλικά ανιχνευτών. 

Ο κρύσταλλος βολφραμικού μολύβδου είναι κατασκευασμένος κυρίως από μέταλλο και είναι βαρύτερος από τον ανοξείδωτο χάλυβα, αλλά με ένα άγγιγμα οξυγόνου σε αυτή την κρυσταλλική μορφή, είναι εξαιρετικά διαφανής και«σπινθηρίζεται»όταν τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνια περνούν μέσα από αυτόν. Αυτό σημαίνει ότι παράγει φως σε αναλογία με την ενέργεια του σωματιδίου που προσκρούει. Αυτοί οι κρύσταλλοι υψηλής πυκνότητας παράγουν φως σε γρήγορες, σύντομες, καλά καθορισμένες εκρήξεις φωτονίων που επιτρέπουν έναν ακριβή, γρήγορο και αρκετά συμπαγή ανιχνευτή.

Φωτοανιχνευτές, οι οποίοι έχουν σχεδιαστεί ειδικά για να λειτουργούν εντός του υψηλού μαγνητικού πεδίου, είναι κολλημένοι στο πίσω μέρος κάθε κρυστάλλου για να ανιχνεύσουν το φως σπινθηρισμού και να το μετατρέψουν σε ηλεκτρικό σήμα που ενισχύεται και αποστέλλεται για ανάλυση.

Το ECAL, που αποτελείται από ένα τμήμα "βαρελιού" και δύο "τελικά καπάκια", σχηματίζει ένα στρώμα μεταξύ του ιχνηλάτη και του HCAL. Το κυλινδρικό βαρέλι αποτελείται από 61.200 κρυστάλλους που σχηματίζονται σε 36 «υπερμονάδες», το καθένα ζυγίζει περίπου τρεις τόνους και περιέχει 1700 κρυστάλλους. Τα επίπεδα καπάκια σφραγίζουν την κάννη σε κάθε άκρο και αποτελούνται από σχεδόν 15.000 περισσότερους κρυστάλλους.

Για πρόσθετη χωρική ακρίβεια, το ECAL περιέχει επίσης έναν ανιχνευτή προντους που βρίσκεται μπροστά από τα καπάκια. Αυτά επιτρέπουν στο CMS να διακρίνει μεταξύ μεμονωμένων φωτονίων υψηλής ενέργειας (συχνά σημάδια συναρπαστικής φυσικής) και των λιγότερο ενδιαφέροντων κοντινών ζευγών φωτονίων χαμηλής ενέργειας.

Το CMS ECAL…

Ένα ρωσικό εργοστάσιο σε ένα πρώην στρατιωτικό συγκρότημα ανέλαβε τη δουλειά της παραγωγής των περισσότερων κρυστάλλων, ενώ τα υπόλοιπα παράγονταν στην Κίνα. Χρειάστηκαν περίπου δέκα χρόνια για να αναπτυχθούν και οι 78.000 κρύσταλλοι σε αυστηρές προδιαγραφές, και χρειάστηκαν περίπου δύο ημέρες για να αναπτυχθεί ο καθένας. Μέσα στον ανιχνευτή, οι κρύσταλλοι αντιμετωπίζουν υψηλή ακτινοβολία, επομένως το υλικό βολφραμίου μολύβδου έπρεπε να επιλεγεί προσεκτικά και να αναπτυχθεί.