Solenoide de muones compacto

Este es el punto central del detector donde se producen las colisiones protón -protón entre los dos haces que giran en sentido contrario del LHC . En cada extremo del detector, los imanes enfocan los haces hacia el punto de interacción. En el momento de la colisión, cada haz tiene un radio de 17  μm y el ángulo de cruce entre ellos es de 285  μrad.

A plena luminosidad de diseño , cada uno de los dos haces del LHC contendrá 2.808 paquetes de1,15 × 10¹¹ protones. El intervalo entre cruces es de 25 ^ns  , aunque el número de colisiones por segundo es de solo 31,6 millones debido a las interrupciones en el haz cuando los imanes inyectores se activan y desactivan.

A máxima luminosidad, cada colisión producirá un promedio de 20 interacciones protón-protón. Las colisiones ocurren a una energía en el centro de masa de 8  TeV. Sin embargo, cabe destacar que, para los estudios de física a escala electrodébil, los eventos de dispersión se inician por un solo quark o gluón de cada protón, por lo que la energía real involucrada en cada colisión será menor, ya que la energía total en el centro de masa se comparte entre estos quarks y gluones (determinada por las funciones de distribución de partones ).

Se esperaba que la primera prueba, realizada en septiembre de 2008, operara a una energía de colisión menor de 10  TeV, pero esto se vio impedido por el cierre del 19 de septiembre de 2008. Al alcanzar este nivel objetivo, el LHC tendrá una luminosidad significativamente reducida, debido a la menor cantidad de haces de protones en cada haz y a la menor cantidad de protones por haz. Sin embargo, la menor frecuencia de los haces permite reducir el ángulo de cruce a cero, ya que los haces están lo suficientemente separados como para evitar colisiones secundarias en el tubo de haz experimental.

El momento lineal de las partículas es crucial para comprender los eventos que tienen lugar en el centro de la colisión. Un método para calcular el momento lineal de una partícula consiste en seguir su trayectoria a través de un campo magnético; cuanto más curva sea la trayectoria, menor será el momento lineal de la partícula. El detector de partículas del CMS registra las trayectorias de las partículas cargadas al determinar sus posiciones en varios puntos clave.

El detector puede reconstruir las trayectorias de muones, electrones y hadrones de alta energía (partículas compuestas de quarks), así como observar las trayectorias procedentes de la desintegración de partículas de vida muy corta, como los quarks belleza o "quarks b", que se utilizarán para estudiar las diferencias entre materia y antimateria.

El detector debe registrar las trayectorias de las partículas con precisión, pero a la vez ser ligero para perturbarlas lo menos posible. Para ello, toma mediciones de posición tan precisas que las trayectorias pueden reconstruirse de forma fiable utilizando solo unos pocos puntos de medición. Cada medición tiene una precisión de 10  μm, una fracción del grosor de un cabello humano. Además, es la capa más interna del detector y, por lo tanto, recibe el mayor volumen de partículas; por consiguiente, los materiales de construcción se eligieron cuidadosamente para resistir la radiación. ^{[ 10 ]}

El detector CMS está fabricado íntegramente en silicio: los píxeles, que constituyen el núcleo del detector y gestionan la mayor intensidad de las partículas, y los detectores de microbandas de silicio que lo rodean. A medida que las partículas atraviesan el detector, los píxeles y las microbandas generan diminutas señales eléctricas que se amplifican y detectan. El detector emplea sensores que cubren un área del tamaño de una cancha de tenis, con 75 millones de canales de lectura electrónica independientes: en el detector de píxeles hay unas 6000 conexiones por centímetro cuadrado.

El detector de silicio del CMS consta de 14 capas en la región central y 15 capas en los extremos. Las cuatro capas más internas (con  un radio de hasta 16 cm) constan de píxeles de 100 × 150 μm, 124 millones en total. El detector de píxeles se actualizó como parte de la actualización de la fase 1 del CMS en 2017, lo que añadió una capa adicional tanto al cuerpo como a los extremos, y desplazó la capa más interna 1,5 cm más cerca de la línea de haz. ^{[ 11 ]}

Las siguientes cuatro capas (con un radio de hasta 55  cm) constan de tiras de silicio de 10 cm × 180 μm , seguidas de las seis capas restantes de tiras de 25 cm × 180 μm , hasta un radio de 1,1  m. En total, hay 9,6 millones de canales de tiras.

Durante las colisiones de máxima luminosidad, se espera que la ocupación de las capas de píxeles por evento sea del 0,1 %, y del 1-2 % en las capas de tiras. La actualización prevista del HL-LHC aumentará el número de interacciones hasta el punto en que la sobreocupación reduciría significativamente la eficacia de la detección de trazas. Se planea una actualización para aumentar el rendimiento y la tolerancia a la radiación del detector de trazas.

Esta parte del detector es el detector de silicio más grande del mundo. Tiene 205 ^m²  de sensores de silicio (aproximadamente el área de una cancha de tenis) en 9,3 millones de sensores de microbanda que comprenden 76 millones de canales. ^{[ 12 ]}

El calorímetro electromagnético (ECAL) está diseñado para medir con alta precisión las energías de los electrones y los fotones .

El ECAL está construido con cristales de tungstato de plomo , PbWO₄ _. Este es un material extremadamente denso pero ópticamente transparente, ideal para detener partículas de alta energía. El cristal de tungstato de plomo está hecho principalmente de metal y es más pesado que el acero inoxidable, pero con una pequeña cantidad de oxígeno en esta forma cristalina es altamente transparente y centellea cuando los electrones y fotones lo atraviesan. Esto significa que produce luz en proporción a la energía de la partícula. Estos cristales de alta densidad producen luz en ráfagas de fotones rápidas, cortas y bien definidas que permiten un detector preciso, rápido y bastante compacto. Tiene una longitud de radiación de χ₀ ₌  0,89  cm  y un rendimiento lumínico rápido, con el 80 % del rendimiento lumínico en un tiempo de cruce (25  ns). Sin embargo, esto se compensa con un rendimiento lumínico relativamente bajo de 30 fotones por MeV de energía incidente. Los cristales utilizados tienen un tamaño frontal de 22  mm  ×  22  mm y una profundidad de 230  mm. Están colocados en una matriz de fibra de carbono para mantenerlos aislados ópticamente y cuentan con fotodiodos de avalancha de silicio como respaldo para la lectura de los datos.

El ECAL, compuesto por una sección cilíndrica y dos tapas, forma una capa entre el detector de trazas y el HCAL. El cilindro consta de 61 200 cristales organizados en 36 supermódulos, cada uno con un peso aproximado de tres toneladas y que contiene 1700 cristales. Las tapas planas del ECAL sellan el cilindro en ambos extremos y están formadas por casi 15 000 cristales adicionales.

Para una mayor precisión espacial, el ECAL también contiene detectores de pre-ducha ubicados delante de las tapas de los extremos. Estos permiten a CMS distinguir entre fotones individuales de alta energía (que suelen ser indicios de física excitante) y pares cercanos de fotones de baja energía, que resultan menos interesantes.

En los extremos, la superficie interna del ECAL está cubierta por el subdetector de pre-ducha, que consta de dos capas de plomo intercaladas con dos capas de detectores de tiras de silicio. Su función es facilitar la discriminación entre piones y fotones.

El calorímetro de hadrones (HCAL) mide la energía de los hadrones , partículas compuestas de quarks y gluones (por ejemplo , protones , neutrones , piones y kaones ). Además, proporciona una medición indirecta de la presencia de partículas no interactivas y sin carga, como los neutrinos .

El HCAL consta de capas de material denso ( latón o acero ) intercaladas con placas de centelleadores plásticos , cuya señal se lee mediante fibras de desplazamiento de longitud de onda a través de fotodiodos híbridos . Esta combinación se determinó para permitir la máxima cantidad de material absorbente dentro de la bobina magnética.

La región de alta pseudorapidez${\displaystyle \scriptstyle (3.0\;<\;|\eta |\;<\;5.0)}$El detector Hadronic Forward (HF) está instrumentado. Ubicado a 11  m a cada lado del punto de interacción, utiliza una tecnología ligeramente diferente de absorbedores de acero y fibras de cuarzo para la lectura, diseñada para permitir una mejor separación de partículas en la región frontal congestionada. El HF también se utiliza para medir el sistema de luminosidad relativa en línea en CMS.

Aproximadamente la mitad del latón utilizado en las tapas de los extremos del HCAL solía ser de proyectiles de artillería rusos. ^{[ 13 ]}

El imán CMS es el dispositivo central alrededor del cual se construye el experimento, con un campo magnético de 4 Tesla que es 100 000 veces más fuerte que el de la Tierra. CMS tiene un gran imán solenoide . Esto permite determinar la relación carga/masa de las partículas a partir de la trayectoria curva que siguen en el campo magnético. Tiene 13  m de largo y 6  m de diámetro, y sus bobinas superconductoras refrigeradas de niobio-titanio fueron diseñadas originalmente para producir un campo magnético de 4 T. El campo operativo se redujo a 3,8 T en lugar de la intensidad de diseño completa para maximizar la vida útil. ^{[ 14 ]}  

La inductancia del imán es de 14 H y la corriente nominal para 4 T es de 19 500 A , lo que da una energía almacenada total de 2,66 GJ , equivalente a aproximadamente media tonelada de TNT . Hay circuitos de descarga para disipar de forma segura esta energía en caso de que el imán se queme . La resistencia del circuito (esencialmente solo los cables del convertidor de potencia al criostato ) tiene un valor de 0,1 mΩ, lo que da como resultado una constante de tiempo del circuito de casi 39 horas. Esta es la constante de tiempo más larga de cualquier circuito en el CERN. La corriente de funcionamiento para 3,8 T es de 18 160 A , lo que da una energía almacenada de 2,3 GJ .        

La función del gran imán es curvar las trayectorias de las partículas que emergen de colisiones de alta energía en el LHC. Cuanto mayor sea el momento de una partícula, menor será la curvatura de su trayectoria por el campo magnético, por lo que el seguimiento de su trayectoria permite medir dicho momento. El proyecto CMS se concibió con el objetivo de contar con el imán más potente posible, ya que un campo magnético de mayor intensidad curva más las trayectorias y, combinado con mediciones de posición de alta precisión en el detector de trazas y los detectores de muones, esto permite medir con exactitud el momento incluso de partículas de alta energía.

Los detectores de trazas y calorímetros (ECAL y HCAL) se ajustan perfectamente dentro de la bobina magnética, mientras que los detectores de muones se encuentran intercalados con una estructura de hierro de 12 lados que rodea las bobinas magnéticas y contiene y guía el campo. Compuesta por tres capas, esta estructura de retorno alcanza un diámetro de 14 metros y actúa también como filtro, permitiendo el paso únicamente de muones y partículas de interacción débil, como los neutrinos. El enorme imán proporciona la mayor parte del soporte estructural del experimento y debe ser muy potente para soportar las fuerzas de su propio campo magnético.

Como su nombre indica, el "Solenoide Compacto de Muones" (CMS) se refiere a la detección de muones , una de sus tareas más importantes. Los muones son partículas cargadas, similares a los electrones y positrones , pero 200 veces más masivas. Se espera que se produzcan en la desintegración de varias partículas potenciales; por ejemplo, una de las "firmas" más claras del bosón de Higgs es su desintegración en cuatro muones.

Debido a que los muones pueden penetrar varios metros de hierro sin depositar una cantidad significativa de energía, a diferencia de la mayoría de las partículas, no son detenidos por ninguno de los calorímetros del CMS. Por lo tanto, las cámaras para detectar muones se ubican en el extremo del experimento, donde son las únicas partículas con probabilidades de registrar una señal.

Para identificar muones y medir su momento, el CMS utiliza tres tipos de detectores: tubos de deriva (DT), cámaras de tiras de cátodo (CSC), cámaras de placas resistivas (RPC) y multiplicadores de electrones de gas (GEM). Los DT se utilizan para mediciones precisas de trayectoria en la región central del cañón , mientras que las CSC se utilizan en los extremos . Las RPC proporcionan una señal rápida cuando un muón pasa a través del detector de muones y están instaladas tanto en el cañón como en los extremos.

El sistema de tubo de deriva (DT) mide la posición de los muones en la parte cilíndrica del detector. Cada tubo de 4 cm de ancho contiene un hilo conductor tensado dentro de un volumen de gas. Cuando un muón o cualquier partícula cargada atraviesa el volumen, arranca electrones de los átomos del gas. Estos siguen el campo eléctrico hasta llegar al hilo conductor cargado positivamente. Al registrar el punto del hilo conductor donde impactan los electrones (en el diagrama, los hilos conductores apuntan hacia el interior de la página) y al calcular la distancia original del muón al hilo conductor (mostrada aquí como distancia horizontal y calculada multiplicando la velocidad de un electrón en el tubo por el tiempo transcurrido), los tubos de deriva proporcionan dos coordenadas para la posición del muón. Cada cámara de tubo de deriva, de un tamaño promedio de 2 m x 2,5 m, consta de 12 capas de aluminio, dispuestas en tres grupos de cuatro, cada uno con hasta 60 tubos: el grupo central mide la coordenada paralela al haz y los dos grupos exteriores miden la coordenada perpendicular.

Las cámaras de tiras catódicas (CSC) se utilizan en los discos de los extremos, donde el campo magnético es irregular y las tasas de partículas son elevadas. Las CSC consisten en conjuntos de cables de "ánodo" con carga positiva cruzados con tiras de "cátodo" de cobre con carga negativa dentro de un volumen de gas. Cuando los muones pasan, arrancan electrones de los átomos del gas, que se acumulan en los cables del ánodo creando una avalancha de electrones. Los iones positivos se alejan del cable y se dirigen hacia el cátodo de cobre, induciendo también un pulso de carga en las tiras, perpendicular a la dirección del cable. Debido a que las tiras y los cables son perpendiculares, se obtienen dos coordenadas de posición para cada partícula que pasa. Además de proporcionar información precisa sobre el espacio y el tiempo, la proximidad de los cables convierte a las CSC en detectores rápidos, adecuados para el disparo. Cada módulo CSC contiene seis capas, lo que le permite identificar con precisión los muones y comparar sus trayectorias con las del detector de trazas.

Las cámaras de placas resistivas (RPC) son detectores gaseosos rápidos que proporcionan un sistema de disparo de muones similar al de los detectores DT y CSC. Las RPC constan de dos placas paralelas: un ánodo con carga positiva y un cátodo con carga negativa, ambos fabricados con un material plástico de muy alta resistividad y separados por un volumen de gas. Cuando un muón atraviesa la cámara, se desprenden electrones de los átomos de gas. Estos electrones, a su vez, chocan con otros átomos, provocando una avalancha de electrones. Los electrodos son transparentes a la señal (los electrones), que son captados por tiras metálicas externas tras un pequeño pero preciso retardo. El patrón de las tiras impactadas proporciona una medida rápida del momento del muón, que el sistema de disparo utiliza para decidir de inmediato si los datos merecen ser almacenados. Las RPC combinan una buena resolución espacial con una resolución temporal de tan solo un nanosegundo (una milmillonésima de segundo).

Los detectores de multiplicador de electrones de gas (GEM) representan un nuevo sistema de muones en CMS, con el fin de complementar los sistemas existentes en las tapas de los extremos. La región frontal es la parte de CMS más afectada por las altas dosis de radiación y las elevadas tasas de eventos. Las cámaras GEM proporcionarán redundancia adicional y puntos de medición, lo que permitirá una mejor identificación de las trayectorias de los muones y una mayor cobertura en la región frontal. Los detectores GEM de CMS están hechos de tres capas, cada una de las cuales es una lámina de poliimida revestida de cobre de 50 μm de espesor. Estas cámaras están llenas de una mezcla de gases Ar/CO₂ _, donde se produce la ionización primaria debida a los muones incidentes, lo que posteriormente da lugar a una avalancha de electrones, proporcionando una señal amplificada. ^{[ 15 ]}

Las nuevas partículas descubiertas en CMS suelen ser inestables y se transforman rápidamente en una cascada de partículas más ligeras, estables y mejor conocidas. Las partículas que viajan a través de CMS dejan patrones característicos, o "firmas", en las diferentes capas, lo que permite identificarlas. De este modo, se puede inferir la presencia (o ausencia) de nuevas partículas.

Para tener una buena probabilidad de producir una partícula rara, como un bosón de Higgs , se requiere un número muy elevado de colisiones. La mayoría de los eventos de colisión en el detector son "suaves" y no producen efectos interesantes. La cantidad de datos brutos de cada cruce es de aproximadamente 1 megabyte , lo que, a una frecuencia de cruce de 40 MHz, resultaría en 40 terabytes de datos por segundo, una cantidad que el experimento no puede almacenar, y mucho menos procesar adecuadamente. El sistema de disparo completo reduce la tasa de eventos interesantes a unos manejables 1000 por segundo.   

Para lograr esto, se emplean varias etapas de activación. Todos los datos de cada cruce se almacenan en búferes dentro del detector, mientras que una pequeña cantidad de información clave se utiliza para realizar un cálculo rápido y aproximado que permite identificar características de interés, como chorros de alta energía, muones o energía faltante. Este cálculo de "Nivel 1" se completa en aproximadamente 1  μs, y la tasa de eventos se reduce en un factor de aproximadamente 1000, hasta 50  kHz. Todos estos cálculos se realizan en hardware personalizado de alta velocidad mediante matrices de puertas programables en campo (FPGA) reprogramables.

Si un evento pasa por el disparador de Nivel 1, todos los datos aún almacenados en el detector se envían a través de enlaces de fibra óptica al disparador de "Alto Nivel", que es un software (principalmente escrito en C++ ) que se ejecuta en servidores informáticos convencionales. La menor frecuencia de eventos en el disparador de Alto Nivel permite un análisis mucho más detallado que en el disparador de Nivel 1. El disparador de Alto Nivel reduce la frecuencia de eventos en un factor de 100, hasta alcanzar los 1000 eventos por segundo. Estos se almacenan en cinta para su posterior análisis.

Los datos que han superado las etapas de activación y se han almacenado en cinta se duplican mediante la Red en sitios adicionales alrededor del mundo para facilitar el acceso y garantizar la redundancia. Posteriormente, los físicos pueden usar la Red para acceder a los datos y realizar sus análisis.

En CMS se realizan una gran variedad de análisis, entre los que se incluyen:

• Realizar mediciones de precisión de partículas del Modelo Estándar, lo que permite tanto ampliar el conocimiento sobre estas partículas como colaborar en la calibración del detector y medir el rendimiento de varios componentes.
• Se buscan eventos con grandes cantidades de energía transversal faltante, lo que implica la presencia de partículas que han atravesado el detector sin dejar huella. En el Modelo Estándar, solo los neutrinos atravesarían el detector sin ser detectados, pero una amplia gama de teorías más allá del Modelo Estándar contienen nuevas partículas que también darían como resultado energía transversal faltante.
• Estudiar la cinemática de pares de partículas producidas por la desintegración de un progenitor, como el bosón Z que se desintegra en un par de electrones o el bosón de Higgs que se desintegra en un par de leptones tau o fotones , para determinar diversas propiedades y la masa del progenitor.
• Se estudian chorros de partículas para analizar la forma en que los partones ( quarks y gluones ) en los protones que colisionan han interactuado, o para buscar evidencia de nueva física que se manifiesta en estados finales hadrónicos.
• La búsqueda de estados finales con alta multiplicidad de partículas (predichos por muchas teorías de la nueva física) es una estrategia importante porque las desintegraciones de partículas comunes del Modelo Estándar rara vez contienen un gran número de partículas, y aquellos procesos que sí lo hacen se comprenden bien.