Ο ανιχνευτής CMS O ρόλος και ο σχεδιασµός του ανιχνευτή. Το CMS και τα κοµµάτια του Από τα κοµµάτια στο σύστηµα. Συµπεράσµατα και προσδοκίες.
Ο ρόλος του επιταχυντή και των ανιχνευτών είναι αλληλένδετος. Ο επιταχυντής κατασκευάζεται µε την προϋπόθεση ότι θα υπάρξουν ανιχνευτές για να «χρησιµοποιήσουν» τις παραγόµενες δέσµες, συγκρουόµενες ή µη. Ο ένας δεν έχει λόγο να υπάρξει χωρίς τον άλλο. Η ποιότητα και το δυναµικό του επιταχυντή και του ανιχνευτή πρέπει να είναι αντίστοιχες, ο επιταχυντής και ο ανιχνευτής δεν είναι παρά ένα και το αυτό όργανο, µια γιγαντιαία φωτογραφική µηχανή του χρόνου και του χώρου. Η «µηχανή» γίνεται «επί παραγγελία» µε δεδοµένο τα ερωτήµατα που πρέπει να απαντηθούν.
Για να είναι δυνατόν να απαντήσουµε στα ερωτήµατα της σηµερινής Φυσικής Στοιχειωδών Σωµατιδίων, χρειαζόµαστε επιταχυντή και ανιχνευτές που να έχουν τη δυνατότητα να παράγουν και να ανιχνεύσουν σωµάτια από 50 GeV έως 15 ΤeV. Ο ανιχνευτής πρέπει να έχει τις εξής δυνατότητες:
Να µπορεί να ανιχνεύσει «αληθινά» σωµατίδια (γ, µ, e, π, p) αλλά και να δει «αόρατα» σωµατίδια. Να είναι κατάλληλος να ψάξει για ότι προβλέπουν οι θεωρίες (Higgs, SUSY, κ.τ.λ.). Αλλά και για ότι δεν προβλέπουν.
Να είναι «πολλαπλών αρµοδιοτήτων» - να µπορεί να ανιχνεύσει διαφορετικά σωµάτια. Να µπορεί να «εµπερικλείει», όλα τα σωµατίδια που θα παραχωθούν κατά την αλληλεπίδραση των σωµατιδίων της δέσµης στο εσωτερικό του («ερµητικός»). Να έχει την δυνατότητα να «δει» όλα τα παραγόµενα σωµατίδια, δηλαδή, να έχει αρκετά «pixels», που στην γλώσσα των ανιχνευτών λέγονται «κανάλια».
Να είναι γρήγορος γιατί ο επιταχυντής είναι γρήγορος. Είναι γρήγορος γιατί πρέπει να παράγει στατιστικά σπάνια γεγονότα, δηλαδή, ο ανιχνευτής πρέπει να φωτογραφίζει µε συχνότητα περίπου 10 εκατοµµύρια γεγονότα το δευτερόλεπτο. Να έχει το κατάλληλο µέγεθος, την κατάλληλη κατασκευή και να έχει χτιστεί από υλικά που επιτρέπουν την διατήρηση του σε περιβάλλον µε αρκετή ραδιενέργεια για περισσότερο από 10 χρονιά.
Να είναι ένα σύστηµα «ερµητικό» όσον αφορά τη µέτρηση της ενεργείας και να δίνει αρκετά «σηµεία» στο χώρο για την καταγραφή των τροχιών. Για όλα αυτά η «συσκευή µετρήσεων», χρειάζεται: Το καλύτερο εφικτά ηλεκτροµαγνητικό καλορίµετρο Πολύ ισχυρό τροχιογράφο. Ερµητικό Ανδρόνικο καλορίµετρο µε καλή µέτρηση ενεργείας Θαλάµους µιονίων σε αφθονία... Σε καλή τιµή...
CΜS- Compact Muon Solenoid Δυο απλοποιημένες όψεις 16 m ~1500 τόνοι Εξωτερικοί δακτύλιοι (2+2) 21 m Κεντρικός δακτύλιος «Βάσεις» (3+3) 13000 τόνοι Tο 4Τ μαγνητικό πεδίο... µ
Ο «μαγνήτης»
Ο «μαγνήτης» Το µαγνητικό πεδίο του CMS παράγεται από ένα «κλασσικό (!)» σωληνοειδές 13 m x 6 m. Το «σύρµα» του σωληνοειδούς είναι NbTi µε επικάλυψη από Cu. Λόγω της αναγκαίας υπεραγωγιµότητας, το σωληνοειδές πρέπει να διατηρείται σε θερµοκρασία ~4.2 0 K. Για να επιτευχθεί αυτό, βρίσκεται µέσα σ ένα «δοχείο Dewar», δηλαδή δυο οµόκεντρους κυλίνδρους από ατσάλι που ανάµεσα τους υπάρχει κενό. Εγκαταστάσεις για την αποθήκευση του χρησιµοποιουµένου για την ψύξη υγρού Ηe, συστήµατα ηλεκτρονικής ρύθµισης της θερµοκρασίας κτλ. συνοδεύουν το πιο πολύτιµο κοµµάτι του CMS. Η «επιστροφή» των µαγνητικών γραµµών γίνεται µέσω του συστήµατος στήριξης-φίλτρου των µιονίων. Πρόκειται για µια κατασκευή από 11,000 τόνους ατσάλι χωρισµένους σε 5 κυλινδρικά δαχτυλίδια και 3+3 δίσκους βάσεις του κυλινδρικού ανιχνευτή. Ένας ανιχνευτής εξαρτάται απόλυτα από το µαγνητικό του πεδίο η παραµικρή ανωµαλία έχει µεγάλες επιπτώσεις στις µετρήσεις λόγω λάθους στον υπολογισµό της πορείας των σωµατιδίων.
Το ορθογώνιο «Καλώδιο» του CMS αποτελείται από 32 υπεραγώγιμες πλεξίδες (όχι κόμποι...). Σύνολο 1974 km πλεξίδας και πολύ περισσότερο υπεραγώγιμο σύρμα... Το σωληνοειδες Κράμα αλουμινίου Μηχανική σταθεροποίηση Κόλληση με δέσμη ηλεκτρόνιων Καλωδιο Rutherford 32 πλεξιδες Nb/Ti Καθαρό Αλουμίνιο (99.9%) - σταθεροποιητής πεδίου Ρεύμα μέχρι 62 kα @4.22 0 K, 5 T Ρεύμα σε κανονικές συνθήκες 20kΑ
Το σωληνοειδές
Το σωληνοειδές Η αποθήκευση του υγρού Ηλίου γίνεται στο χώρο του πειράµατος. Από αυτούς, δυο είναι για την αποθήκευση του υγρού Ηλίου του µαγνήτη του CMS (~5.000 L) και οι άλλοι για το υγρό Ήλιο των µαγνητών του LHC. Για να ψηχθεί ο υπεραγώγιµος µαγνήτης στους 4,2 0 Κ, χρειάζονται πάνω από 3 εβδοµάδες καθώς η διαδικασία είναι αργή...
Τα διάφορα κοµµάτια του ανιχνευτή 1. Τροχιογράφος Οµόκεντροι κύλινδροι που «καταγράφουν τροχιές» γύρω από τη δέσµη. Το πόσοι πρέπει να είναι αποτέλεσµα υπολογισµών.
Τροχιογράφος P = f(r,b) 31/8/2014
Τροχιογράφος 90.000 ανιχνευτές, 75.000.000 ηλεκτρονικά κανάλια... 200 m 3, 200 Kg...µόνιµη ψύξη στους -20 0 C, ελεγχόµενη υγρασια < 5%, 10 συνεχή χρόνια λειτουργίας, ακρίβεια στο χώρο.
Τροχιογράφος
Ομόκεντροι κύλινδροι με ~7Χ106 αισθητήρες
Καλορίµετρο Το καλορίµετρο µετράει την ενέργεια διαφόρων τύπων σωµατιδίων. Ηλεκτροµαγνητικά για ενεργειακές µετρήσεις σωµατιδίων που αλληλεπιδρούν ηλεκτροµαγνητικά (e+, e-, φωτόνια) Αδρονικά µετρούν την ενέργεια των αδρονίων (p, πιόνια, καόνια, jets, κτλ). Τα καλορίµετρα «εξαναγκάζουν» τα σωµάτια να «δώσουν» όλη τους την ενέργεια ώστε να µετρηθεί και βρίσκονται πάντα στο εξωτερικό του τροχιογράφου που ο ρόλος του είναι να καταγράψει την τροχιά και να προσδιορίσει το σηµείο «εισόδου» στο καλορίµετρο.
Καλορίµετρο: συµπαγές ή δειγµατοληπτικό; Τα παραγόµενα σωµάτια είναι ανάλογα της ενεργείας του αρχικού σωµατίου. «Βαριά» υλικά χρησιµοποιούνται για να εξαναγκάσουν το σωµάτιο να «δώσει» την ενέργεια του στο µικρότερο δυνατό διάστηµα. «Ελαφρά» υλικά παράγουν σήµα (φωτόνια) ανάλογο µε τον αριθµό των φορτισµένων σωµατιδίων που τα διασχίζουν.
Ηλεκτρομαγνητικό καλορίµετρο: οι κρύσταλλοι Κρύσταλλοι PbWO 4,συνδυάζουν το βάρος του μολύβδου με κρυστάλλινη διαφάνεια
Ηλεκτροµαγνητικό καλορίµετρο: από τους κρυστάλλους στη δηµιουργία «δοµικών λίθων»
Ηλεκτροµαγνητικό καλορίµετρο: από τους δοµικούς λίθους στα τµήµατα του καλορίµετρου
Ηλεκτροµαγνητικό καλορίµετρο ECAL Endcap 1 crystal shape ECAL Barrel 17 xtal shapes Preshower based on Si sensors Characteristics of PbWO 4 X 0 = 0.89cm ρ = 8.28g/cm 3 R M (Molière radius) = 2.2cm
Το Αδρονικό καλορίµετρο Το Αδρονικό καλορίµετρο αποτελείται από τρία µέρη: Κεντρικό Κυλινδρικό HCAL (sampling) Σάντουιτς από ορειχάλκινες πλάκες και πλαστικό scintillator µε ένθετες οπτικές ίνες wavelength-shifting Ακραίοι δίσκοι HCAL (HE) (sampling) Ορειχάλκινες πλάκες και πλαστικό scintillator Forward HCAL (HF) (Cerenkov) Κυλινδρικά τµήµατα κατασκευασµένα από ατσάλι µε ένθετες οπτικές ίνες quartz ~10000 κανάλια
Το Αδρονικό καλορίµετρο τοποθετείται στο CMS
Θάλαµοι µιονίων Μέτρηση χωρικών συντεταγμένων: Drift Tubes (DT) in barrel Cathode Strip Chambers (CSC) in endcaps Trigger (σκανδαλισμός): Resistive Plate Chambers (RPCs) in barrel and endcaps 195000 DT 210816 CSC 162282 RPC
Θάλαµοι µιονίων
Μιόνιο Ηλεκτρόνιο Αδρονικό φορτίο) Αδρόνιο (αφόρτιστο) Φωτόνιο Εγκάρσια τομή CMS Τροχιογράφος Ηλεκτρομαγνητικό καλορίμετρο Αδρονικό καλορίμετρο Υπεραγώγιμο σωληνοειδές Επιστροφή μαγνητικού πεδίου και θάλαμοι μιονίων Τα µεγέθη του ανιχνευτή είναι απόρροια υπολογισµών που ξεκινούν από το ζητούµενο... 31/8/2014
Καταγραφή γεγονότων-trigger Στο CMS, οµάδες από πρωτόνια θα συγκρούονται κάθε 25ns (40 εκατοµµύρια φορές το δευτερόλεπτο) Κάθε οµάδα θα παράγει ~ 1 Mbyte δεδοµένων (αφού αφαιρεθούν τα «άδεια» γεγονότα - zero suppression) εν είναι δυνατόν να καταγράφουν πάνω από ~ 100 Mbytes / second... Το σύστηµα «trigger» του CMS θα πρέπει να αποφασίσει γρήγορα εάν η συγκεκριµένη οµάδα πρωτονίων παρήγαγε κάτι το ενδιαφέρον Εάν η απάντηση είναι ΝΑΙ, το «γεγονός» καταγράφεται. Εάν η απάντηση είναι ΟΧΙ, το «γεγονός» πετιέται.
Καταγραφή γεγονότων-trigger Τα ενδιαφέροντα γεγονότα παράγονται µε συχνότητα 1:10 7 Ακόµη και µε αυτούς τους περιορισµούς, τα καταγραφόµενα δεδοµένα ξεπερνούν κάθε χρόνο τα 10 6 Gbytes. Όλα αυτά τα χειρίζεται το «σύστηµα trigger»
Καταγραφή γεγονότων-trigger Το σύστηµα επιλογής γεγονότων στο CMS λειτουργεί σε δυο φάσεις : Πρώτη φάση : Όλη η λογική επιλογής γεγονότων είναι χρισµένη σε «hardware» (ειδικευµένοι processors που ισοδυναµούν µε ~50,000 PCs). Χρησιµοποιεί «βασικές» πληροφορίες από τα καλορίµετρα και τούς θαλάµους µιονίων για γρήγορες (<4msec ) αποφάσεις. Για παράδειγµα: Βλέπουµε πουθενά δυο µιόνια µε µεγάλες ορµές; Βλέπουµε πουθενά στο ηλεκτροµαγνητικό καλορίµετρο ενέργεια > 40 GeV; Με αυτόν τον τρόπο, η συχνότητα γεγονότων πέφτει από 40 MHz το πολύ σε 100 khz.
Καταγραφή γεγονότων-trigger εύτερη φάση: Τα κατ αυτό τον τρόπο επιλεγόµενα γεγονότα µε την συχνότητα των 100 khz µεταβιβάζονται µέσω δικτύων µεγάλου φάσµατος σε µια «φάρµα» αποτελούµενη από ~5000 PCs στους οποίους τρέχουν ειδικοί αλγόριθµοι επιλογής γεγονότων κατ ουσιών online ανάλυση των γεγονότων. πιο εξειδικευµένη πληροφορία από τους ανιχνευτές: Η µετρούµενη ενεργεία στο ηλεκτροµαγνητικό καλορίµετρο συνοδεύεται από αντίστοιχο αριθµό κρούσεων στον τροχιογράφο στην αρχή του γεγονότος; (ηλεκτρόνιο!) Έτσι, η συχνότητα των γεγονότων πέφτει από 100ΚΗz σε 100 Ηz και τα γεγονότα «καταγράφονται».
Καταγραφή γεγονότων-trigger Παγκόσμια Τηλεπικοινωνία (1998!)
Η αρχή του κακού...μαύρη τρύπα...
Το «σπήλαιο»
Ο κεντρικός δακτύλιος και το σωληνοειδές