ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΠΑΣΧΑΛΗΣ. ΒΗΧΟΥ ΗΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΕΠΙΚΟΥΡΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Π.ΚΟΚΚΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ ΥΨΗΛΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΩΝ

Ανάπτυξη ηλεκτρονικού συστήματος λήψης δεδομένων και ελέγχου των αισθητήρων πυριτίου του ανιχνευτικού συστήματος Preshower του πειράματος CMS στο CERN. ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΠΑΣΧΑΛΗΣ. ΒΗΧΟΥ ΗΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΕΠΙΚΟΥΡΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Π.ΚΟΚΚΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ ΥΨΗΛΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥ ΩΝ ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΙΩΑΝΝΙΝΑ 00

ΣΥΝΟΨΗ Σύνοψη Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη του ηλεκτρονικού συστήματος λήψης δεδομένων και ελέγχου των αισθητήρων πυριτίου που προορίζεται για το ανιχνευτικό σύστημα Preshower του πειράματος CMS. Το πείραμα CMS θα λάβει χώρα στον ευρωπαϊκό οργανισμό πυρηνικών ερευνών CERN τα επόμενα χρόνια. Στο πρώτο κεφάλαιο της διατριβής αναπτύσσονται τα ερωτήματα στα οποία η επιστημονική κοινότητα επιχειρεί να δώσει μια απάντηση με το πείραμα CMS καθώς και ο τρόπος με τον οποίο συμβάλλει καθοριστικά ο υπο-ανιχνευτής Preshower στην επίτευξη αυτού του στόχου. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο τρόπος με τον οποίο αναπτύχθηκε το ηλεκτρονικό σύστημα λήψης δεδομένων και ελέγχου των αισθητήρων πυριτίου, ώστε να επιτευχθεί η συλλογή του φορτίου που εναποτίθεται στις λωρίδες τους λόγω της διέλευσης κάποιου σωματιδίου. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η ανάπτυξη ενός ιδιαίτερα εύελικτου ηλεκτρονικού συστήματος το οποίο παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στην αξιολόγηση της λειτουργίας του ηλεκτρονικού συστήματος λήψης δεδομένων και ελέγχου των αισθητήρων πυριτίου. Στο τελευταίο κεφάλαιο μελετώνται τα αποτελέσματα της ακτινοβόλησης των αισθητήρων πυριτίου από παλμικό LASER και δέσμες σωματιδίων με σκοπό την επιβεβαίωση της λειτουργίας του ηλεκτρονικού συστήματος λήψης δεδομένων και ελέγχου υπό ρεαλιστικές συνθήκες.

ABSTRACT Abstract The subject of this thesis is the development of the electronic system for reading out the silicon strip sensors of the Preshower detector intended for use in the CMS experiment that will be held at the European Organization for Nuclear Research (CERN). Chapter introduces the physics goals of the CMS experiment and the significant contribution of the Preshower detector for achieving them. Chapter presents the way the front-end electronic system was designed in order to collect the charge deposited in the silicon strips by traversing charged particles. Chapter deals with the development of an extremely flexible testbench which plays an essential role for the evaluation of the on-detector electronic system. Chapter deals with the measurements taken from the irradiation of the silicon sensors using LASER and particle beam in order to verify the functionality of the electronic system under realistic operating conditions.

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Ευχαριστίες Στο σηµείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω τους ανθρώπους που συνέβαλαν στην πραγµατοποίηση αυτής της διδακτορικής διατριβής. Τον επιβλέποντα της διπλωµατικής µου εργασίας Επίκουρο Καθηγητή Παναγιώτη Κόκκα, µέλος του Εργαστηρίου Φυσικής Υψηλών Ενεργειών του Πανεπιστηµίου Ιωαννίνων, για την καθοδήγησή του καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης της διατριβής. Τον Καθηγητή Φρίξο Τριάντη διευθυντή του ΕΦΥΕ, τον Αναπληρωτή Καθηγητή Νικόλαο Μάνθο, τον Επίκουρο Καθηγητή Ιωάννη Ευαγγέλου και τον Λέκτορα Ιωάννη Παπαδόπουλο για την άριστη συνεργασία. Τους David Barney, Wojciech Bialas, Philippe Bloch, Anna Elliott- Peisert και Serge Reynaud του CERN για την επιστημονική και τεχνική γνώση που μου διέθεσαν. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαιτέρως τον Κωνσταντίνο Κλουκίνα του CERN για την καθοριστική συμβολή του για την διεκπεραίωση της διατριβής. Σημειώνεται ότι η εργασία αυτή συγχρηματοδοτήθηκε από την Ευρωπαϊκή Ένωση, στα πλαίσια του προγράμματος με τίτλο «ΗΡΑΚΛΕΙΤΟΣ», του προγράμματος ΕΠΕΑΕΚ ΙΙ του ου Κοινοτικού Πλαισίου Στήριξης του ΥΠ.Ε.Π.Θ., με χρηματοδότηση κατά % από εθνικούς πόρους και κατά % από το Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο (ΕΚΤ).

Περιεχόμενα ΚΕΦΑΛΑΙΟ : ΕΙΣΑΓΩΓΗ.... Το ευρωπαϊκό εργαστήριο CERN.... Ο επιταχυντής LHC..... Παραγωγή δεσμών πρωτονίων/σύμπλεγμα επιταχυντών του CERN...... Τα πειράματα του LHC.... Το πείραμα CMS..... Η φυσική του πειράματος CMS...9.. Ο σχεδιασμος του CMS... A. Ο μαγνήτης... B. Ο εσωτερικός ανιχνευτής τροχιών... Γ. Το ηλεκτρομαγνητικό καλορίμετρο... Δ. Το αδρονικό καλορίμετρο... Ε. Το σύστημα ανίχνευσης μυονίων.... Το ηλεκτρομαγνητικό καλορίμετρο του CMS.... O υπο-ανιχνευτής Preshower..... Αρχιτεκτονική του Preshower..... Αισθητήρες πυριτίου..... Κατασκευή του Preshower.... Αναφορές...0 ΚΕΦΑΛΑΙΟ : ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΠΙ ΤΟΥ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗ.... Αρχιτεκτονική των ηλεκτρονικών για τον Preshower.... Σύστημα ανάγνωσης των λωρίδων του αισθητήρα πυριτίου..... Delta και PACE-AM...9. Μητρική κάρτα..... Τμήμα συλλογης δεδομένων... A. AD0... B. K-CHIP... Γ. GOL... Δ. Ημίσεια μητρική κάρτα..... Τμήμα ελέγχου...9 Α. Η Αρχιτεκτονική του συστήματος ελέγχου των ηλεκτρονικών του Preshower...0 Β. Αρχιτεκτονική πλεονασμού... Γ. Κάρτα ελέγχου..... Ολοκλήρωση του συστήματος.... Αναφορές...

ΚΕΦΑΛΑΙΟ : ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΕΠΙ ΤΟΥ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗ.... Εισαγωγή στην αρχιτεκτονική του συστήματος αξιολόγησης..... Προδιαγραφές..... Υλοποίηση του συστήματος αξιολογησης.... Το υποσύστημα σκανδαλισμού... 9.. Χρονισμός του συστήματος αξιολογησης... 9.. Κανόνες σκανδαλισμού του πειράματος CMS... 0.. Παραγωγή ακολουθιών σκανδαλισμού..... Εξομοίωση της παραγωγής των δεσμών πρωτονίων..... Παραγωγή σημάτων βαθμονομησης..... Παραγωγή σημάτων έναρξης νέου κύκλου δεσμών πρωτονίων..... Προτεραιότητα στην παραγωγή ταχέων εντολών..... Κωδικοποίηση ταχέων εντολών.... Το υποσύστημα συλλογής δεδομένων... 90.. Αρχιτεκτονική του υποσυστήματος συλλογής δεδομένων... 90.. Βαθμίδα λήψης και αποκωδικοποίησης δεδομένων... 9 Α. Gigabit Ethernet και Κωδικοποίηση b/0b... 9 Β. Μετάδοση δεδομένων από το GOL... 9 Γ. Υλισμικό για τη λήψη των οπτικών σημάτων... 9 Δ. Λήψη και αποκωδικοποίηση δεδομένων από το FPGA... 9... Βαθμίδα επεξεργασίας δεδομένων... 9... Βαθμίδα αποστολής δεδομένων προς τον Η/Υ... 0. Το υποσύστημα ελέγχου... 0.. FEC... 0.. Ενσωμάτωση του συστήματος FEC... 0. Υποσύστημα επικοινωνίας με τον Η/Υ... 0. Λογισμικό.... Άλλες χρήσεις του συστήματος.... Αναφορές...

ΚΕΦΑΛΑΙΟ : ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΕΠΙ ΤΟΥ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗ... 9. Ακτινοβόληση με χρήση παλμικού LASER..... Μετρητική διάταξη..... Τοποθέτηση του LASER..... Εύρεση της γραμμικής περιοχής λειτουργίας του LASER..... Aκτινοβόληση των λωρίδων του αισθητήρα πυριτίου.... Ακτινοβόληση με δέσμες σωματιδίων... 0.. Μετρητική διάταξη..... Μέθοδος επεξεργασίας των μετρήσεων... Α. Αλγόριθμος απόρριψης του κοινού σήματος..... Μετρήσεις με δέσμη ηλεκτρονίων... 9.. Μετρήσεις με δέσμη μυονίων.... Συμπεράσματα.... Αναφορές... ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ... 9 Σύστημα ανάγνωσης των λωρίδων του ανιχνευτή... 9 Μητρική κάρτα - Τύπος 0... 0 Μητρική κάρτα - Τύπος... Μητρική κάρτα - Τύπος... Μητρική κάρτα - Τύπος... Κάρτα έναρξης του δακτυλιοειδούς δικτύου... 9 Σύστημα διασύνδεσης μητρικών καρτών... 9 Κάρτα τερματισμού του δακτυλιοειδούς δικτύου... 9 Σύστημα αξιολόγησης... 9

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ : ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το αντικείμενο αυτού του κεφαλαίου αποτελεί μια εισαγωγή στο πείραμα συγκρουομένων δεσμών πρωτονίων CMS του ευρωπαϊκού οργανισμού πυρηνικών ερευνών CERN. Στην εισαγωγή αυτή παρουσιάζεται το CERN και η υλικοτεχνική υποδομή που διαθέτει για τη διεξαγωγή της έρευνας επί των στοιχειωδών συστατικών της ύλης και των δυνάμεων που διέπουν την συμπεριφορά τους, συμπεριλαμβανομένου και του επιταχυντή LHC που είναι αυτή τη στιγμή υπό κατασκευή. Στα πλαίσια αυτού του κεφαλαίου παρουσιάζονται κάποια από τα ερωτήματα που προκύπτουν από την επικρατούσα θεωρία περί της δομής της ύλης, στα οποία το πείραμα CMS με τη βοήθεια του επιταχυντή LHC θα επιχειρήσει να δώσει μια απάντηση. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται σε έναν από τους υπο-ανιχνευτές του πειράματος CMS, τον επονομαζόμενο ανιχνευτή προεντοπισμού ηλεκτρομαγνητικών καταιγισμών ή Preshower. Το κεφάλαιο αυτό εστιάζεται τόσο στην αναγκαιότητα χρήσης του Preshower όσο και στην αρχιτεκτονική του.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ. Το ευρωπαϊκό εργαστήριο CERN Ο ευρωπαϊκός οργανισμός πυρηνικών ερευνών (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire ή CERN), εδρεύει στη Γενεύη και αποτελεί το μεγαλύτερο εργαστήριο φυσικής υψηλών ενεργειών στον κόσμο. Ως εργαστήριο φυσικής υψηλών ενεργειών, έχει ως κύριο στόχο την παροχή της απαραίτητης υλικοτεχνικής υποδομής για τη διεξαγωγή της έρευνας επί των στοιχειωδών συστατικών της ύλης και των δυνάμεων που διέπουν την συμπεριφορά τους. Ιδρυθέν το 9, το CERN αποτέλεσε μία από της πρώτες συλλογικές προσπάθειες της Ευρώπης και σήμερα μετρά 0 κράτη-μέλη, συμπεριλαμβανομένης και της Ελλάδας. Τα κράτημέλη του CERN είναι τα εξής: Αυστρία, Βέλγιο, Βουλγαρία, Γαλλία, Γερμανία, Δανία, Ελβετία, Ελλάδα, Ισπανία, Ιταλία, Μεγάλη Βρετανία, Νορβηγία, Ολλανδία, Ουγγαρία, Πολωνία, Πορτογαλία, Σλοβακία, Σουηδία, Τσεχία και Φινλανδία. Εκτός των 0 ευρωπαϊκών κρατών-μελών, τα εξής κράτη εμπλέκονται σε διαφόρους άλλους τομείς: Αζερμπαϊτζάν, Αλγερία, Αργεντινή, Αρμενία, Αυστραλία, Βραζιλία, Κροατία, Κύπρος, Εσθονία, Γεωργία, Ηνωμένες Πολιτείες, Ιαπωνία, Ινδία, Ιράν, Ιρλανδία, Ισλανδία, Ισραήλ, Καναδάς, Κίνα, Λευκορωσία, Μαρόκο, Μεξικό, Νότια Αφρική, Νότια Κορέα, Ουκρανία, Πακιστάν, Περού, Ρουμανία, Ρωσία, Σερβία, Σλοβενία και Ταϊβάν []. Σχήμα -: Κράτη-μέλη του CERN.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Αυτή τη στιγμή, το σημαντικότερο πρόγραμμα του CERN αποτελεί η υλοποίηση του μεγαλύτερου επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο, εν ονόματι LHC (Large Hadron Collider), που υπολογίζεται να ολοκληρωθεί το 00.. Ο επιταχυντής LHC Ο LHC είναι ένας κυκλικός επιταχυντής περιμέτρου.km ικανός να επιταχύνει δύο αντίθετα περιστρεφόμενες δέσμες πρωτονίων, να τις εστιάσει και να τις οδηγήσει σε σύγκρουση. Η ενέργεια στο κέντρο μάζας θα είναι TeV ενώ η φωτεινότητα L (Luminosity) φτάνει σταδιακά έως και τα 0 cm - s -. Οι δέσμες πρωτονίων δεν είναι συνεχείς αλλά αποτελούνται από τμήματα (bunches) των 0 πρωτονίων. Οι δυο αντίθετα περιστρεφόμενες δέσμες πρωτονίων εστιάζονται και συγκρούουνται ανά ~ns. Ο αριθμός των συγκρούσεων υπολογίζεται να φτάσει τις x0 /s, καθώς μονο μερικές δεκάδες από τα 0 πρωτόνια συγκρούουνται. Εκτός των δεσμών πρωτονίων, είναι δυνατή η επιτάχυνση και σύγκρουση πυρήνων μολύβδου με ενέργεια κέντρου μάζας έως και ΤeV και φωτεινότητα L 0 cm - s -. Σχήμα -: Μαγνήτης του LHC.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Για την επιτάχυνση σωματιδίων με το ίδιο φορτίο σε αντίθετες κατευθύνσεις απαιτούνται δύο αντίθετα μαγνητικά πεδία. Για λόγους χώρου και κόστους οι μαγνήτες (και οι σωλήνες στους οποίους θα κινούνται οι δύο δέσμες) τοποθετούνται στο ίδιο κέλυφος. Για να διατηρηθεί η κυκλική τροχιά των δεσμών πρωτονίων ενέργειας TeV απαιτείται μαγνητικό πεδίο της τάξης των.t, που όμοιό του δεν είχε ποτέ εφαρμοστεί σε προηγούμενο επιταχυντή. Η δημιουργία αυτού του μαγνητικού πεδίου βασίζεται στην υπεραγωγιμότητα, την ιδιότητα συγκεκριμένων υλικών να άγουν ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς αντίσταση και ενεργειακές απώλειες υπό ιδιαίτερα χαμηλές θερμοκρασίες. Για αυτόν τον λόγο οι μαγνήτες ψύχονται σε θερμοκρασία.9 ο Κ, χαμηλότερη ακόμη και από τη θερμοκρασία του διαστήματος. Για την ψύξη των μαγνητών χρησιμοποιείται υπέρυγρο ήλιο υπό ατμοσφαιρική πίεση. Ο επιταχυντής LHC, με περίμετρο.km, αποτελεί τη μεγαλύτερη υπεραγώγιμη εγκατάσταση στον κόσμο... ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΔΕΣΜΩΝ ΠΡΩΤΟΝΙΩΝ/ΣΥΜΠΛΕΓΜΑ ΕΠΙΤΑΧΥΝΤΩΝ ΤΟΥ CERN Ο LHC εγκαθίσταται στην υπάρχουσα υπόγεια σήραγγα όπου στο παρελθόν βρισκόταν ο επιταχυντής ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων LEP (Large Electron Positron collider) ενώ οι δέσμες πρωτονίων που οδηγούνται σε αυτόν παράγονται στο υπάρχον σύμπλεγμα επιταχυντών του CERN (Σχήμα -). Η παραγωγή των πρωτονίων επιτυγχάνεται με ιονισμό αέριου Η υπό ισχυρό μαγνητικό πεδίο το οποίο δημιουργείται με κατάλληλο τετράπολο. Μετά την παραγωγή τους, τα πρωτόνια οδηγούνται στον γραμμικό επιταχυντή LINAC (LINear ACcelerator ). Ο LINAC επιταχύνει τα πρωτόνια ώστε να αποκτήσουν ενέργεια 0MeV. Ο πρώτος από τους κυκλικούς επιταχυντές στον οποίον εισέρχονται τα πρωτόνια είναι ο PSB (Proton Synchrotron Booster), ο οποίος προσδίδει σε αυτά επιπλέον ενέργεια έτσι ώστε να φτάσουν τα 00MeV. Ακολούθως, τα πρωτόνια εισέρχονται στον επιταχυντή PS (Proton Synchrotron). Ο διαμέτρου 00m PS αποτελεί τον παλαιότερο επιταχυντή του CERN, ο οποίος τέθηκε για πρώτη φορά σε λειτουργία το 99. Η μέγιστη ενέργεια που προσδίδεται στα πρωτόνια από τον PS φτάνει τα GeV. Έκτοτε, αναβαθμίστηκε αρκετές φορές με αποτέλεσμα να αποτελεί σήμερα τον πιο ευέλικτο επιταχυντή του CERN καθώς μπορεί πλέον να επιταχύνει κάθε είδους ηλεκτρικά φορτισμένα σωμάτια όπως e -, p, τα αντισωμάτια τους (e +, p ) και διάφορα είδη βαρέων ιόντων. Μετά τον PS, τα πρωτόνια οδηγούνται στον διαμέτρου km επιταχυντή SPS (Super Proton Synchrotron), ο οποίος αποτέλεσε και τον πρώτο επιταχυντή του CERN που κατασκευάστηκε σε υπόγεια σήραγγα. Όταν κατά το έτος 9 τέθηκε για πρώτη φορά σε λειτουργία ο SPS, η μέγιστη ενέργεια των πρωτονίων έφτανε τα 00GeV. Έκτοτε, ο SPS

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σχήμα -: Σύμπλεγμα επιταχυντών του CERN [].

ΕΙΣΑΓΩΓΗ αναβαθμίστηκε αρκετές φορές και πλέον σήμερα η μέγιστη προσδιδόμενη ενέργεια φτάνει τα 00 GeV. Στο παρελθόν, εκτός των πειραμάτων σταθερού στόχου (fixed-target), ο SPS χρησιμοποιήθηκε για πειράματα σύγκρουσης πρωτονίων-αντιπρωτονίων και για την επιτάχυνση δεσμών ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων που οδηγούνται ακολούθως στον LEP. Σήμερα, ο SPS αποτελεί το τελευταίο στάδιο προ-επιτάχυνσης των πρωτονίων, πριν διαχωριστούν σε δυο αντίθετα κινούμενες δέσμες και οδηγηθούν στον LHC. Σημειώνεται ότι για την επιτάχυνση των πυρήνων μολύβδου ακολουθείται σχεδόν η ίδια διαδικασία, με μόνη διαφορά την αρχική επιτάχυνση των πυρήνων από τον γραμμικό επιταχυντή LINAC.... ΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΤΟΥ LHC Με τη βοήθεια του LHC η επιστημονική κοινότητα ευελπιστεί στην κατανόηση αναπάντητων ερωτημάτων που προκύπτουν από την επικρατούσα θεωρία περί της δομής της ύλης, γνωστή και ως καθιερωμένο πρότυπο (Standard Model). Τα ερωτηματικά που προκύπτουν είναι: η προέλευση της μάζας η ανισότητα στην κατανομή ύλης και αντι-ύλης στο σύμπαν η μη ύπαρξη μιας ενοποιημένης θεωρίας περιγραφής των στοιχειωδών σωματιδίων και των αλληλεπιδράσεων η ύπαρξη μιας τέταρτης μορφής ύλης (quark gluon plasma). Για την απάντηση αυτών των ερωτημάτων, αναπτύσσονται παράλληλα στον LHC τα εξής τέσσερα πειράματα: CMS (Compact Muon Solenoid) ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), ALICE (A Large Ion Collider Experiment) LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) Τα παραπάνω πειράματα θα πραγματοποιηθούν σε τέσσερα σημεία σύγκρουσης των επιταχυνομένων σωματιδίων (Σχήμα -). Τα μεν πειράματα ATLAS [] και CMS [] αποτελούν Ως συγκρουστής πρωτονίων-αντιπρωτονίων, o SPS κατά τη δεκαετία του 90 χαρισε στο CERN μια από τις σπουδαιότερες στιγμές στην ιστορία του, την πρώτη παρατήρηση των φορέων της ασθενούς αλληλεπίδρασης σωματίων W και Z.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ στην ουσία ανιχνευτές γενικής χρήσεως εστιασμένους κυρίως στη μελέτη της προέλευσης της μάζας, σε αντίθεση με το πείραμα LHCb [] που είναι αφοσιωμένο στη μελέτη της ασυμμετρίας ύλης/αντι-ύλης, και το πείραμα ALICE [] που είναι επικεντρώνεται στην αλληλεπίδραση βαρέων ιόντων και την πιθανή ύπαρξη μιας τέταρτης μορφής ύλης.. Το πείραμα CMS Το πείραμα CMS, σχεδιάστηκε με κύριο στόχο την πειραματική επαλήθευση της θεωρίας περί της προέλευσης της μάζας στα πλαίσια του καθιερωμένου προτύπου, μελετώντας τα αποτελέσματα της σύγκρουσης των αντίθετα κινουμένων δεσμών πρωτονίων υπό τη μέγιστη φωτεινότητα του LHC. Η επόμενη παράγραφος επικεντρώνεται στην εν λόγω θεωρία καθώς και σε άλλες πτυχές της φυσικής υψηλών ενεργειών που πιθανόν να αποκαλυφθούν/επαληθευθούν κατά τη διάρκεια του πειράματος. Σχήμα -: Τα τέσσερα πειράματα του LHC.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ.. Η ΦΥΣΙΚΗ ΤΟΥ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ CMS Παρόλο που κατά το καθιερωμένο πρότυπο η ηλεκτρομαγνητική και η ασθενής αλληλεπίδραση ενοποιούνται υπό μια κοινή θεωρία, οι φορείς τους δεν παύουν να είναι πολύ διαφορετικοί. Τα φωτόνια, φορείς της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης, δεν έχουν μάζα, σε αντίθεση με τα μποζόνια W ± και Ζ 0, φορείς της ασθενούς αλληλεπίδρασης, των οποίων η μάζα είναι της τάξεως των 0GeV και 90GeV, αντίστοιχα. Αυτές οι μεγάλες διαφορές μάζας, δημιουργούν ένα μεγάλο ερωτηματικό καθώς δεν υπάρχει πειραματικά αποδεδειγμένος μηχανισμός που προσδίδει στα σωματίδια τη μάζα τους. Μια πιθανή εξήγηση αυτού του μηχανισμού στα πλαίσια του καθιερωμένου προτύπου δίνει η θεωρία του Higgs [][]. Σύμφωνα με αυτή, κάθε σωματίδιο αποκτά τη μάζα του ανάλογα με τη σφοδρότητα της αλληλεπίδρασης του με το πεδίο Higgs που υπάρχει στο σύμπαν. Η θεωρία αυτή εισάγει την παρουσία ενός νέου σωματιδίου, του μποζονίου Higgs (H 0 ). Αν και στην εν λόγω θεωρία δεν καθορίζεται παρά μόνο το άνω όριο (~TeV) της μάζας του μποζονίου Higgs, προβλέπονται ωστόσο οι μηχανισμοί και η συχνότητα εμφάνισής του καθώς επίσης και οι διασπάσεις του για κάθε πιθανή μάζα του. Τα διαγράμματα Feynman για τους τέσσερις πιθανούς μηχανισμούς εμφάνισης του σωματιδίου Higgs στο CMS απεικονίζονται στο Σχήμα -. Σχήμα -: Μηχανισμοί εμφάνισης του σωματιδίου Higgs. Αποτελέσματα από πειράματα με τη χρήση του επιταχυντή LEP οδηγούν στο συμπέρασμα οτι η ελάχιστη πιθανή μάζα του Higgs είναι λίγο μεγαλύτερη από 0GeV [9] 9

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το σωμάτιο Higgs μπορεί να ανιχνευθεί εμμέσως από τα προϊόντα της διάσπασής του. Ο πιθανότερος μηχανισμός διάσπασης του σωματίου Higgs είναι το κανάλι H 0 bb αλλά η ανίχνευσή του είναι ιδιαίτερα δύσκολη καθώς υπάρχουν αρκετές άλλες αλληλεπιδράσεις που οδηγούν σε παρόμοια αποτελέσματα. Τα πιο ευδιάκριτα κανάλια διάσπασης του Higgs στο πείραμα CMS, ανάλογα με τη μάζα του (Μ Η ), είναι τα εξής: Μ Η < 0GeV Η 0 γγ + Η ΖΖ l 0 0GeV < Μ Η < 00GeV * l 0 + Η ΖΖ l l - - Μ Η > 00GeV Η 0 ΖΖ l ± j j Η 0 Η 0 ΖΖ l ΖΖ l + l - v v + l - j j όπου l : λεπτόνια και j : πίδακες σωματίων (jets) Στο Σχήμα - απεικονίζονται τα κανάλια διάσπασης του Higgs σε συνάρτηση με τη μάζα του, καθώς επίσης και ο συσχετισμός του πλάτους διάσπασης του Higgs με αυτή. Σχήμα -: Κανάλια διάσπασης του Higgs σε συνάρτηση με τη μάζα του. Περίπου πριν από τέσσερις δεκαετίες, παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το φαινόμενο της παραβίασης της συμμετρίας CP (δηλ. του γινομένου φορτίο ισοτιμία, Charge-Parity Violation) 0 0 στις διασπάσεις ουδετέρων καονίων ( K K ) [0]. Πιο συγκεκριμένα παρατηρήθηκε διαφορά μεταξύ των διασπάσεων της τάξης του 0 -. Θεωρείται πολύ πιθανό ότι αυτό το φαινόμενο μπορεί να εξηγήσει την ασυμμετρία μεταξύ ύλης και αντι-ύλης που υπάρχει στο σύμπαν. Η παραβίαση 0 0 της συμμετρίας CP υποδηλώνει διαφορές στις διασπάσεις των μεσονίων K K. Η πιθανότερη 0

ΕΙΣΑΓΩΓΗ εξήγηση για αυτό το φαινόμενο είναι το γεγονός ότι η ασθενής αλληλεπίδραση, η οποία ευθύνεται για τη διάσπαση των καονίων, επηρεάζει με διαφορετικό τρόπο τα σωματίδια της ύλης από ότι αυτά της αντιύλης. Το 00 παρατηρήθηκε το φαινόμενο της παραβίασης της συμμετρίας CP και στο σύστημα των ουδετέρων μεσονίων 0 0 0 0 B B [,]. Τα μεσόνια B B περιέχουν το quark b (beauty) το οποίο είναι πολύ βαρύτερο από το quark s που περιέχουν τα μεσόνια 0 0 K K. Το φαινόμενο της παραβίασης της συμμετρίας CP που παρατηρήθηκε σε αυτά τα μεσόνια είναι πολύ μεγαλύτερο από αυτό που παρατηρείται στο σύστημα των ουδετέρων καονίων. Πιο συγκεκριμένα, η παραβίαση της συμμετρίας CP η οποία μετρήθηκε στις διασπάσεις των μεσονίων B 0 0 / B J K ψ s είναι περίπου 0.. Η συστηματική μελέτη του φαινομένου της παραβίασης της συμμετρίας CP στο σύστημα των σωματίων B αποτελεί βασικό στόχο του πειράματος CMS. Η πλήρης κατανόηση του φαινομένου θα εξηγήσει το κοσμολογικό πρόβλημα της ασυμμετρίας ύλης-αντιύλης. Μια από τις αναζητήσεις της φυσικής υψηλών ενεργειών, αποτελεί και η περιγραφή όλων των στοιχειωδών σωματιδίων και αλληλεπιδράσεων από μια ενοποιημένη θεωρία. Μια από τις θεωρίες αυτές αποτελεί η υπερσυμμετρία ή (supersymmetry ή SUSY) η οποία αξιώνει μια σχέση μεταξύ των σωματιδίων της ύλης (φερμιόνια με ημιακέραιο spin) και των φορέων των αλληλεπιδράσεων (μποζόνια με ακέραιο spin). Σύμφωνα με αυτή, σε κάθε φερμιόνιο αντιστοιχεί ένα υπερσυμμετρικό φερμιόνιο με ακέραιο spin ενώ σε κάθε μποζόνιο αντιστοιχεί ένα υπερσυμμετρικό μποζόνιο με ημιακέραιο spin, πιθανότατα όμως με διαφορετική μάζα. Όσον αφορά τη θεωρία περί Higgs, η υπερσυμμετρική προέκταση του καθιερωμένου προτύπου (Minimal Supersymmetric Standard Model ή MSSM) αξιώνει την παρουσία τουλάχιστον πέντε μποζονίων Higgs (h 0,H 0,A 0,H ± ) των οποίων τα ποικίλα κανάλια διάσπασης οδηγούν τελικά σε φωτόνια, e ±, μ ±, τ ± και πίδακες σωματιδίων. Σύμφωνα με την υπερσυμμετρία προκύπτει επίσης και η εξίσωση της ισχυρής, ασθενούς και ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης στην κλίμακα των 0 GeV, αν και εφόσον τα υπερσυμμετρικά φερμιόνια και μποζόνια έχουν μάζα της τάξης των TeV. Τέλος, η υπερσυμμετρία θα μπορούσε να εξηγήσει μέχρι και την σκοτεινή ύλη (dark matter) του σύμπαντος ως neutralino, που αποτελεί το ελαφρύτερο υπερσυμμετρικό σωματίδιο (Lightest Supersymmetric Particle ή LSP). Αν η υπερσυμμετρία λαμβάνει χώρα στην κλίμακα των TeV, θεωρείται σχεδόν βέβαιο ότι θα παρατηρηθεί στο CMS... Ο ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΟΥ CMS Οι ανιχνευτές που σχεδιάζονται για τον LHC βασίζονται σε μια στρωματική υλοποίηση που επιτρέπει τον προσδιορισμό της ταυτότητας ή/και τη μέτρηση της ενέργειας είτε της ορμής των

ΕΙΣΑΓΩΓΗ σωματιδίων που τα διαπερνούν. Στο Σχήμα - απεικονίζεται ένα πρότυπο ενός τέτοιου ανιχνευτή. Σχήμα -: Πρότυπο ανιχνευτή του LHC []. Τα δομικά στοιχεία ενός τέτοιου ανιχνευτή, ξεκινώντας από το εσωτερικό του, είναι τα εξής: ανιχνευτής τροχιών: σκοπός του είναι ο ακριβής προσδιορισμός της τροχιάς που διαγράφουν τα φορτισμένα σωματίδια που τον διαπερνούν. καλορίμετρο: σκοπός του είναι ο προσδιορισμός της ενέργειας των διερχομένων σωματιδίων. Το πρώτο στρώμα του καλοριμέτρου μετρά την ενέργεια των σωματιδίων που αλληλεπιδρούν ηλεκτρομαγνητικά (ηλεκτρόνια/ποζιτρόνια και φωτόνια) ενώ το δεύτερο στρώμα μετρά την ενέργεια των σωματιδίων που αλληλεπιδρούν ισχυρά (αδρόνια). ανιχνευτής μυονίων: σκοπός του ο προσδιορισμός της ενέργειας και διεύθυνσης των μυονίων που διαφεύγουν από τις προηγούμενες βαθμίδες ανίχνευσης. Η σχεδίαση του CMS βασίστηκε στα σε αυτά τα πρότυπα. Οι στόχοι που τέθηκαν είναι: Η εν γένει συμπαγής υλοποίηση του ανιχνευτή. Η ανίχνευση των μυονίων με υψηλή απόδοση. Η κατασκευή του καλύτερου δυνατού ηλεκτρομαγνητικού καλοριμέτρου. Η ανάπτυξη ενός ανιχνευτή τροχιών υψηλής ποιότητας. Η κατασκευή ενός ερμητικά κλειστού αδρονικού καλοριμέτρου. Το προσιτό κόστος.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στις παραγράφους που ακολουθούν δίνεται μια σύντομη περιγραφή των επιμέρους τμημάτων του CMS. A. Ο μαγνήτης Η σχεδίαση ενός ανιχνευτή σωματιδίων εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την επιλογή του τύπου του μαγνητικού συστήματος που θα χρησιμοποιηθεί, καθώς το μαγνητικό πεδίο είναι αυτό που κάμπτει την τροχιά των φορτισμένων σωματιδίων επιτρέποντας με αυτόν τον τρόπο τη μέτρηση της ορμής τους. Για τον ανιχνευτή CMS επιλέχθηκε η δημιουργία σωληνοειδούς μαγνητικού πεδίου. Η δημιουργία του σωληνοειδούς μαγνητικού πεδίου επιτυγχάνεται με τη βοήθεια ενός υπεραγώγιμου σωληνοειδούς πηνίου το οποίο, με μήκος m και εσωτερική διάμετρο.9m, αποτελεί το μεγαλύτερο που έχει ποτέ κατασκευαστεί. Η ένταση του μαγνητικού Σχήμα -: Ο ανιχνευτής CMS.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ πεδίου που απαιτείται για την ικανοποιητική καμπύλωση των τροχιών των φορτισμένων σωματιδίων είναι της τάξης των Τ. Για την δημιουργία μαγνητικού πεδίου τέτοιας εντάσεως, η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει το πηνίο θα πρέπει να είναι της τάξης των 0kA []. Το υπεραγώγιμο υλικό που χρησιμοποιήθηκε για τα τυλίγματα του πηνίου, έτσι ώστε να επιτευχθεί η ροή ηλεκτρικού ρεύματος αυτής της έντασης, βασίζεται σε ένα κράμα NbTi, γνωστό και ως αγωγός Rutherford (Rutherford Cable). Ο αγωγός Rutherford αποτελείται από κλώνους, έκαστος με δυνατότητα να άγει πάνω από ka όταν ψύχεται στους. ο Κ. Η ψύξη του υπεραγώγιμου υλικού επιτυγχάνεται με τη χρήση υπέρυγρου ηλίου. Το όλο υπεραγώγιμο σύστημα τοποθετείται μέσα σε ένα δοχείο κενού (vacuum vessel) έτσι ώστε να μονωθεί θερμικά από το εξωτερικό περιβάλλον. Για την επιστροφή του μαγνητικού πεδίου το σωληνοειδές πηνίο περιβάλλεται από ένα μεταλλικό οπλισμό (return yoke) συνολικού βάρους 000 τόνων. Η ισχύς του μαγνητικού πεδίου στον μεταλλικό οπλισμό είναι περίπου T. Σχήμα -9: Τομή ενός τυλίγματος του σωληνοειδούς πηνίου. Διακρίνονται οι κλώνοι του αγωγού Rutherford, καθώς και το περίβλημα υποστήριξης του από αλουμίνιο []. Το σωληνοειδές πηνίο περικλείει τον εσωτερικό ανιχνευτή τροχιών, το ηλεκτρομαγνητικό και το αδρονικό καλορίμετρο ενώ περιστοιχίζεται εξωτερικά από το σύστημα ανίχνευσης μυονίων. Ο τρόπος που διατάσσονται οι υπο-ανιχνευτές του πειράματος CMS απεικονίζεται στο Σχήμα -. B. Ο εσωτερικός ανιχνευτής τροχιών Ο εσωτερικός ανιχνευτής τροχιών (Inner Tracking Detector ή Tracker []) του CMS περιβάλλει το σημείο σύγκρουσης των δεσμών πρωτονίων αποτελώντας το πρώτο στρώμα ανιχνευτών που αλληλεπιδρά με τα σωματίδια που προκύπτουν από τη σύγκρουση. Σκοπός του

ΕΙΣΑΓΩΓΗ εσωτερικού ανιχνευτή τροχιών, όπως άλλωστε δηλώνει και το όνομά του, είναι η τρισδιάστατη ανακατασκευή των τροχιών που διαγράφουν τα φορτισμένα σωματίδια που τον διαπερνούν. Καθώς το μαγνητικό πεδίο είναι ιδιαίτερα ισχυρό, η καμπύλωση των τροχιών των φορτισμένων σωματιδίων είναι σχετικά ευδιάκριτη, επιτρέποντας τον προσδιορισμό της ορμής τους από την ακτίνα της τροχιάς τους. Βαρύνουσας σημασίας είναι και ο προσδιορισμός των κορυφών των δευτερογενών διασπάσεων (vertices) που προκύπτουν. Η σχεδίαση του εσωτερικού ανιχνευτή τροχιών βασίζεται σε μια ομόκεντρη πολυστρωματική υλοποίηση αισθητήρων πυριτίου με κυλινδρικό σχήμα μήκους.m και διαμέτρου.m. Ο ιδιαίτερα μεγάλος όγκος του εσωτερικού ανιχνευτή τροχιών επιτρέπει ακόμη και την παρατήρηση της σχετικά μικρής καμπύλωσης των τροχιών των φορτισμένων σωματιδίων ιδιαίτερα υψηλής ενέργειας. Στο κεντρικό τμήμα του ανιχνευτή τροχιών, που βρίσκεται πλησιέστερα στο σημείο αλληλεπίδρασης, χρησιμοποιούνται ψηφιδωτοί (pixel) αισθητήρες για τον προσδιορισμό της θέσης των κορυφών των δευτερογενών διασπάσεων, ενώ για το μεγαλύτερο όγκο του χρησιμοποιούνται μικρολωριδιακοί (micro-strip) αισθητήρες για τον προσδιορισμό της ορμής των σωματιδίων. Συνολικά, ο εσωτερικός ανιχνευτής τροχιών αριθμεί.9x0 ψηφιδωτούς και.x0 μικρολωριδιακούς αισθητήρες πυριτίου. Σχήμα -0: Εσωτερικός ανιχνευτής τροχιών του CMS. Γ. Το ηλεκτρομαγνητικό καλορίμετρο Ο εσωτερικός ανιχνευτής τροχιών περιβάλλεται από ένα ηλεκτρομαγνητικό καλορίμετρο (Electromagnetic Calorimeter ή ECAL) κυλινδρικού σχήματος, του οποίου ο κύριος στόχος είναι η μέτρηση της ενέργειας και της θέσης των ηλεκτρονίων/ποζιτρονίων και φωτονίων που προκύπτουν από τη σύγκρουση των δεσμών πρωτονίων και από τις δευτερογενείς διασπάσεις που ακολουθούν. Το ηλεκτρομαγνητικό καλορίμετρο αναλύεται διεξοδικότερα στην παράγραφο..

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Δ. Το αδρονικό καλορίμετρο Το αδρονικό καλορίμετρο (Hadronic Calorimeter ή HCAL), το οποίο περιβάλλει το ηλεκτρομαγνητικό καλορίμετρο, παίζει ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο τόσο στον προσδιορισμό της ενέργειας και διεύθυνσης των quarks και γλουονίων όσο και στον έμμεσο προσδιορισμό της ενέργειας των νετρίνων. Ο προσδιορισμός των παραπάνω βασίζεται στη μέτρηση της ενέργειας miss και της διεύθυνσης των πιδάκων σωματιδίων καθώς και στο έλλειμμα εγκάρσιας ενέργειας Ε τ (missing transverse energy). Το έλλειμμα εγκάρσιας ενέργειας, το οποίο δηλώνει εμφάνιση μη αλληλεπιδρώντων σωματιδίων όπως π.χ. νετρίνα, θα μπορούσε κάλλιστα να σηματοδοτήσει παρουσία νέων σωματιδίων, όπως π.χ. υπερσυμμετρικά quarks και λεπτόνια []. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο η ερμητικότητα του αδρονικού καλοριμέτρου θεωρείται απαραίτητη, καθώς από αυτήν εξαρτάται ο ακριβής υπολογισμός του ελλείμματος εγκάρσιας ενέργειας. Το αδρονικό καλορίμετρο καλύπτει ψευδο-ωκύτητα (rapidity) μέχρι η =. Το αδρονικό καλορίμετρο συμμετέχει επίσης στην ταυτοποίηση των ηλεκτρονίων, φωτονίων και μυονίων σε συνεργασία με το ηλεκτρομαγνητικό καλορίμετρο και τον ανιχνευτή μυονίων. Το αδρονικό καλορίμετρο είναι δειγματοληπτικού τύπου καθώς η υλοποίησή του βασίζεται σε αλλεπάλληλες βαθμίδες απορροφητικού υλικού (absorber) και πλαστικού σπινθηριστή (plastic scintillator). Ως απορροφητικό υλικό χρησιμοποιείται κατά κύριο λόγο χαλκός, αφενός λόγω του μικρού μήκους ακτινοβολίας του και αφ ετέρου λόγω του χαμηλού ατομικού του αριθμού (σε σχέση με άλλα υλικά που χρησιμοποιούνται για τον ίδιο σκοπό όπως π.χ. μόλυβδος). Το μεν μήκος ακτινοβολίας του μεγιστοποιεί τον αριθμό των αδρονικών καταιγισμών, η δε ατομική του σύνθεση επηρεάζει ελάχιστα τη διεύθυνση και την ορμή των μυονίων που τον διαπερνούν. Σχήμα -: Το αδρονικό καλορίμετρο.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ε. Το σύστημα ανίχνευσης μυονίων Η παρουσία μυονίων παραπέμπει πολύ συχνά σε ενδιαφέρουσες αλληλεπιδράσεις από πλευράς φυσικής και επομένως, η ταυτοποίηση και μέτρηση της ορμής τους είναι βαρύνουσας σημασίας. Η ταυτοποίηση των μυονίων επιτυγχάνεται αποκλειστικά από το σύστημα ανίχνευσης μυονίων ενώ η μέτρηση της ορμής τους επιτυγχάνεται σε συνεργασία με τον εσωτερικό ανιχνευτή τροχιών. Εκτός αυτού, το σύστημα μυονίων παρέχει σημαντική βοήθεια στο σύστημα σκανδαλισμού του CMS. Το σύστημα μυονίων, το οποίο περιβάλλει το σωληνοειδές πηνίο, αποτελείται από τέσσερα ομόκεντρα στρώματα ανιχνευτών μυονίων με κυλινδρικό σχήμα που διαχωρίζονται από μεταλλικούς οπλισμούς []. Σχήμα -: Σύστημα ανίχνευσης μυονίων του CMS. Για την ανίχνευση των μυονίων χρησιμοποιούνται τρεις τύποι ανιχνευτών: Θάλαμοι ολίσθησης καθοδικών λωρίδων (Cathode Strip Chambers) που τοποθετούνται στις έδρες, σωληνωτοί θάλαμοι ολίσθησης (Drift Tubes) που τοποθετούνται στην παράπλευρη επιφάνεια και θάλαμοι αερίων αγώγιμων επιφανειών (Resistive Parallel Plate Chambers) που τοποθετούνται σε όλη την επιφάνεια των κυλίνδρων. Οι θάλαμοι ολίσθησης καθοδικών λωρίδων και οι σωληνωτοί θάλαμοι ολίσθησης χρησιμοποιούνται για τον ακριβή προσδιορισμό της θέσης και επομένως και της ορμής των μυονίων, σε αντίθεση με τους θαλάμους αερίων αγώγιμων επιφανειών, οι οποίοι χρησιμοποιούνται αποκλειστικά για την ταχεία παροχή πληροφορίας στο σύστημα σκανδαλισμού λόγω του μικρού χρόνου απόκρισής τους. Μια εγκάρσια τομή του CMS στην οποία συνοψίζεται ο τρόπος με τον οποίο αλληλεπιδρούν τα διάφορα σωματίδια με τους υπο-ανιχνευτές απεικονίζεται στο Σχήμα - που ακολουθεί.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σχήμα -: Εγκάρσια τομή του ανιχνευτή CMS. Διακρίνονται οι διάφοροι υπο-ανιχνευτές καθώς και ο τρόπος με τον οποίο αλληλεπιδρούν τα διάφορα σωματίδια.. Το ηλεκτρομαγνητικό καλορίμετρο του CMS Όπως αναφέρεται στην παράγραφο.., από τα ποικίλα κανάλια διάσπασης του Higgs προκύπτουν φωτόνια είτε λεπτόνια (Σχήμα -). Επομένως, είναι αυτονόητο ότι η ανίχνευση και μέτρηση της ενέργειας των ηλεκτρονίων και φωτονίων είναι ιδιαίτερα σημαντική για την παρατήρηση του Higgs. Σχήμα -: Διασπάσεις του Higgs που οδηγούν σε ζεύγη φωτονίων ή σε τετράδες λεπτονίων. Παρ όλο που η διάσπαση του Higgs σε ζεύγος φωτονίων είναι σχετικά σπάνια, όπως άλλωστε φαίνεται στο Σχήμα -, θεωρείται σχετικά ξεκάθαρη/ευδιάκριτη. Για αυτόν το λόγο, η ανίχνευσή του ζεύγους φωτονίων από το ηλεκτρομαγνητικό καλορίμετρο θεωρείται ιδιαίτερα σημαντική παρότι από πλευράς προδιαγραφών είναι η πιο απαιτητική, καθώς χρειάζεται άριστη ενεργειακή διακριτική ικανότητα (energy resolution). Λόγω της σημασία της ανίχνευσης αυτού του καναλιού