46°18′34″N 6°4′37″E / 46.30944, -6.07694
El experimento Compact Muon Solenoid ( CMS ) es uno de los dos grandes detectores de física de partículas de propósito general construidos en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN en Suiza y Francia . El objetivo del experimento CMS es investigar una amplia gama de la física, incluida la búsqueda del bosón de Higgs , dimensiones extra y partículas que podrían formar la materia oscura .
El CMS tiene 21 metros de largo, 15 m de diámetro y pesa alrededor de 14.000 toneladas. [1] Más de 4.000 personas, que representan a 206 institutos científicos y 47 países, forman la colaboración CMS que construyó y ahora opera el detector. [2] Está ubicado en una caverna en Cessy en Francia , justo al otro lado de la frontera con Ginebra . En julio de 2012, junto con ATLAS , CMS descubrió tentativamente el bosón de Higgs . [3] [4] [5] En marzo de 2013 se confirmó su existencia. [6]
Los recientes experimentos con colisionadores, como el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LHC) del CERN, ahora desmantelado, y el recientemente renovado Gran Colisionador de Hadrones (LHC), así como el [actualizar]recientemente cerrado Tevatron del Fermilab (desde octubre de 2011), han proporcionado conocimientos notables y pruebas de precisión del Modelo Estándar de Física de Partículas. Un logro principal de estos experimentos (en concreto del LHC) es el descubrimiento de una partícula compatible con el bosón de Higgs del Modelo Estándar , la partícula resultante del mecanismo de Higgs , que proporciona una explicación de las masas de las partículas elementales. [7]
Sin embargo, todavía quedan muchas preguntas que los futuros experimentos con colisionadores esperan responder, entre ellas, las incertidumbres en el comportamiento matemático del Modelo Estándar a altas energías, las pruebas de las teorías propuestas sobre la materia oscura (incluida la supersimetría ) y las razones del desequilibrio de materia y antimateria observado en el Universo.
Los objetivos principales del experimento son:
El experimento ATLAS , al otro lado del anillo del LHC, está diseñado con objetivos similares y ambos experimentos están diseñados para complementarse entre sí, tanto para ampliar el alcance como para corroborar los hallazgos. CMS y ATLAS utilizan diferentes soluciones técnicas y diseños de su sistema de detector magnético para lograr los objetivos.
CMS está diseñado como un detector de propósito general, capaz de estudiar muchos aspectos de las colisiones de protones a 0,9–13,6 TeV , la energía del centro de masa del acelerador de partículas LHC .
El detector CMS está construido alrededor de un enorme imán solenoide, que tiene la forma de una bobina cilíndrica de cable superconductor que genera un campo magnético de 4 teslas, unas 100.000 veces el de la Tierra. El campo magnético está confinado por un "yugo" de acero que constituye la mayor parte del peso del detector, de 12.500 toneladas. Una característica inusual del detector CMS es que, en lugar de construirse in situ bajo tierra, como los otros detectores gigantes de los experimentos del LHC, se construyó en la superficie, antes de ser bajado bajo tierra en 15 secciones y reensamblado.
Contiene subsistemas diseñados para medir la energía y el momento de los fotones , electrones , muones y otros productos de las colisiones. La capa más interna es un rastreador basado en silicio. A su alrededor hay un calorímetro electromagnético de cristal centelleante , que a su vez está rodeado por un calorímetro de muestreo para hadrones. El rastreador y la calorimetría son lo suficientemente compactos para caber dentro del solenoide CMS que genera un potente campo magnético de 3,8 T. Fuera del imán están los grandes detectores de muones, que están dentro del yugo de retorno del imán.
Para conocer detalles técnicos completos sobre el detector CMS, consulte el Informe de diseño técnico. [8]
Este es el punto en el centro del detector en el que se producen las colisiones protón -protón entre los dos haces contrarrotatorios del LHC . En cada extremo del detector, los imanes enfocan los haces hacia el punto de interacción. En la colisión, cada haz tiene un radio de 17 μm y el ángulo de cruce entre los haces es de 285 μrad.
Con la luminosidad de diseño completa , cada uno de los dos haces del LHC contendrá 2.808 haces de1,15 × 10 11 protones. El intervalo entre los cruces es de 25 ns, aunque el número de colisiones por segundo es de solo 31,6 millones debido a los huecos que se forman en el haz cuando se activan y desactivan los imanes del inyector.
A plena luminosidad, cada colisión producirá un promedio de 20 interacciones protón-protón. Las colisiones ocurren en un centro de masas con una energía de 8 TeV. Pero vale la pena señalar que, para los estudios de física a escala electrodébil, los eventos de dispersión son iniciados 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 del centro de masas es compartida por estos quarks y gluones (determinada por las funciones de distribución de partones ).
Se esperaba que la primera prueba, que se realizó en septiembre de 2008, funcionara a una energía de colisión menor de 10 TeV, pero esto no se pudo realizar debido a la parada del 19 de septiembre de 2008. Cuando se alcance este nivel objetivo, el LHC tendrá una luminosidad significativamente reducida, debido a que habrá menos haces de protones en cada haz y menos protones por haz. Sin embargo, la frecuencia reducida de los haces permite reducir el ángulo de cruce a cero, ya que los haces están lo suficientemente espaciados para evitar colisiones secundarias en el haz experimental.
El momento de las partículas es crucial para ayudarnos a construir una imagen de los eventos que ocurrieron en el corazón de la colisión. Un método para calcular el momento de una partícula es rastrear su trayectoria a través de un campo magnético; cuanto más curvada sea la trayectoria, menos momento tenía la partícula. El rastreador CMS registra las trayectorias que siguen las partículas cargadas al encontrar sus posiciones en una serie de puntos clave.
El rastreador puede reconstruir las trayectorias de muones, electrones y hadrones de alta energía (partículas formadas por quarks), así como ver las trayectorias procedentes de la desintegración de partículas de vida muy corta, como los quarks beauty o "b", que se utilizarán para estudiar las diferencias entre materia y antimateria.
El rastreador debe registrar con precisión las trayectorias de las partículas y, al mismo tiempo, ser ligero para perturbarlas lo menos posible. Para ello, toma medidas de posición con tanta precisión que las trayectorias se pueden reconstruir de forma fiable utilizando solo unos pocos puntos de medición. Cada medición tiene una precisión de 10 μm, una fracción del ancho de un cabello humano. También es la capa más interna del detector y, por lo tanto, recibe el mayor volumen de partículas: por lo tanto, los materiales de construcción se eligieron cuidadosamente para resistir la radiación. [9]
El rastreador CMS está hecho completamente de silicio: los píxeles, en el núcleo del detector y que se ocupan de la intensidad más alta de partículas, y los detectores de microbandas de silicio que lo rodean. A medida que las partículas viajan a través del rastreador, los píxeles y las microbandas producen pequeñas señales eléctricas que se amplifican y detectan. El rastreador utiliza sensores que cubren un área del tamaño de una cancha de tenis, con 75 millones de canales electrónicos de lectura separados: en el detector de píxeles hay unas 6.000 conexiones por centímetro cuadrado.
El rastreador de silicio CMS consta de 14 capas en la región central y 15 capas en los extremos. Las cuatro capas más internas (hasta un radio de 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 fase 1 de CMS en 2017, que agregó una capa adicional tanto al cilindro como al extremo, y desplazó la capa más interna 1,5 cm más cerca de la línea de luz. [10]
Las siguientes cuatro capas (hasta un radio de 55 cm) están formadas por 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.
Se espera que durante las colisiones de luminosidad máxima, la ocupación de las capas de píxeles por evento sea del 0,1%, y del 1-2% en las capas de franjas. La actualización prevista del HL-LHC aumentará el número de interacciones hasta el punto en que la sobreocupación reduciría significativamente la eficacia de búsqueda de trayectorias. Se planea una actualización para aumentar el rendimiento y la tolerancia a la radiación del rastreador.
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. [11]
El calorímetro electromagnético (ECAL) está diseñado para medir con alta precisión las energías de los electrones y fotones .
El ECAL está construido a partir de cristales de tungstato de plomo , PbWO 4 . 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 un toque de oxígeno en esta forma cristalina es altamente transparente y centellea cuando los electrones y los fotones pasan a través de él. 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 χ 0 = 0,89 cm y tiene un rendimiento de luz rápido, con un 80% de rendimiento de luz dentro de un tiempo de cruce (25 ns). Sin embargo, esto se equilibra con un rendimiento de luz 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 ópticamente aislados y respaldados por fotodiodos de avalancha de silicio para la lectura.
El ECAL, formado por una sección de cañón y dos "tapas terminales", forma una capa entre el rastreador y el HCAL. El "cañón" cilíndrico consta de 61.200 cristales formados en 36 "supermódulos", cada uno de los cuales pesa alrededor de tres toneladas y contiene 1.700 cristales. Las tapas terminales planas del ECAL sellan el cañón en ambos extremos y están formadas por casi 15.000 cristales más.
Para lograr una mayor precisión espacial, el ECAL también contiene detectores de pre-lluvia que se ubican frente a las tapas de los extremos. Estos permiten que el CMS distinga entre fotones individuales de alta energía (que suelen ser signos de física emocionante) y los pares de fotones de baja energía menos interesantes.
En los extremos, la superficie interna del ECAL está cubierta por el subdetector de pre-lluvia, que consta de dos capas de plomo intercaladas con dos capas de detectores de tiras de silicio. Su propósito es ayudar en la discriminación de piones y fotones.
El calorímetro de hadrones (HCAL) mide la energía de los hadrones , partículas formadas por quarks y gluones (por ejemplo, protones , neutrones , piones y kaones ). Además, proporciona una medición indirecta de la presencia de partículas no cargadas que no interactúan entre sí, como los neutrinos .
El HCAL consta de capas de material denso ( latón o acero ) intercaladas con placas de centelleadores de plástico , que se leen a través de fibras que cambian la longitud de onda mediante fotodiodos híbridos. Esta combinación se determinó para permitir la máxima cantidad de material absorbente dentro de la bobina magnética.
La región de alta pseudorapidez está instrumentada por el detector Hadronic Forward (HF). Ubicado a 11 m de cada lado del punto de interacción, este detector 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 congestionada región delantera. El HF también se utiliza para medir el sistema de luminosidad relativa en línea en CMS.
Aproximadamente la mitad del latón utilizado en los casquillos de los HCAL provenía de proyectiles de artillería rusos. [12]
El imán del CMS es el dispositivo central en torno al cual se ha construido el experimento, con un campo magnético de 4 Tesla que es 100.000 veces más fuerte que el de la Tierra. El CMS tiene un imán solenoide de gran tamaño . 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 fuerza de diseño completa para maximizar la longevidad. [13]
La inductancia del imán es de 14 Η 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 esta energía de forma segura en caso de que el imán se apague . La resistencia del circuito (esencialmente solo los cables del convertidor de potencia al criostato ) tiene un valor de 0,1 mΩ, lo que conduce a 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 las colisiones de alta energía en el LHC. Cuanto mayor sea el momento de una partícula, menos curvará su trayectoria el campo magnético, por lo que trazar su trayectoria proporciona una medida del momento. El CMS comenzó con el objetivo de tener el imán más potente posible porque un campo de mayor intensidad curva más las trayectorias y, combinado con mediciones de posición de alta precisión en el rastreador y los detectores de muones, esto permite una medición precisa del momento incluso de partículas de alta energía.
Los detectores de seguimiento y calorímetro (ECAL y HCAL) encajan perfectamente en el interior de la bobina magnética, mientras que los detectores de muones están intercalados con una estructura de hierro de 12 lados que rodea las bobinas magnéticas y contiene y guía el campo. Este "yugo de retorno", formado por tres capas, alcanza un diámetro de 14 metros y también actúa como filtro, permitiendo el paso únicamente de muones y partículas de interacción débil, como los neutrinos. El enorme imán también proporciona la mayor parte del soporte estructural del experimento y debe ser muy fuerte para soportar las fuerzas de su propio campo magnético.
Como sugiere el nombre "Solenoide de Muones Compacto", la detección de muones es una de las tareas más importantes del CMS. Los muones son partículas cargadas que son iguales a los electrones y positrones , pero son 200 veces más masivas. Esperamos que se produzcan en la desintegración de varias partículas potenciales nuevas; por ejemplo, una de las "firmas" más claras del bosón de Higgs es su desintegración en cuatro muones.
Como los muones pueden atravesar varios metros de hierro sin depositar una cantidad significativa de energía, a diferencia de la mayoría de las partículas, ninguno de los calorímetros del CMS los detiene. Por lo tanto, las cámaras para detectar muones se colocan en el borde mismo del experimento, donde son las únicas partículas con probabilidades de registrar una señal.
Para identificar muones y medir sus momentos, CMS utiliza tres tipos de detectores: tubos de deriva (DT), cámaras de banda catódica (CSC), cámaras de placa resistiva (RPC) y multiplicadores de electrones de gas (GEM). Los DT se utilizan para mediciones precisas de trayectoria en la región del barril central, mientras que los CSC se utilizan en las tapas de los extremos . Los RPC proporcionan una señal rápida cuando un muón pasa a través del detector de muones y se instalan tanto en el barril como en las tapas de los extremos.
El sistema de tubo de deriva (DT) mide las posiciones de los muones en la parte del cañón del detector. Cada tubo de 4 cm de ancho contiene un alambre estirado dentro de un volumen de gas. Cuando un muón o cualquier partícula cargada pasa a través del volumen, arranca electrones de los átomos del gas. Estos siguen el campo eléctrico y terminan en el alambre cargado positivamente. Al registrar en qué parte del alambre chocan los electrones (en el diagrama, los alambres entran en la página) y al calcular la distancia original del muón con respecto al alambre (que se muestra aquí como distancia horizontal y se calcula multiplicando la velocidad de un electrón en el tubo por el tiempo empleado), los DT proporcionan dos coordenadas para la posición del muón. Cada cámara de DT, de un tamaño medio de 2 mx 2,5 m, consta de 12 capas de aluminio, dispuestas en tres grupos de cuatro, cada uno con hasta 60 tubos: el grupo del medio mide la coordenada a lo largo de la dirección paralela al haz y los dos grupos exteriores miden la coordenada perpendicular.
Las cámaras de banda catódica (CSC) se utilizan en los discos de tapa terminal donde el campo magnético es desigual y las tasas de partículas son altas. Las CSC consisten en conjuntos de cables de "ánodo" cargados positivamente cruzados con bandas de "cátodo" de cobre cargadas negativamente dentro de un volumen de gas. Cuando los muones pasan a través de ellos, arrancan electrones de los átomos de gas, que se agrupan 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, lo que también induce un pulso de carga en las bandas, en ángulo recto con la dirección del cable. Debido a que las bandas y los cables son perpendiculares, obtenemos dos coordenadas de posición para cada partícula que pasa. Además de proporcionar información precisa de espacio y tiempo, los cables poco espaciados hacen que las CSC sean detectores rápidos adecuados para la activación. Cada módulo CSC contiene seis capas que le permiten identificar con precisión los muones y hacer coincidir sus pistas con las del rastreador.
Las cámaras de placas resistivas (RPC) son detectores gaseosos rápidos que proporcionan un sistema de disparo de muones paralelo a los de los DT y los CSC. Las RPC constan de dos placas paralelas, un ánodo cargado positivamente y un cátodo cargado negativamente, ambos hechos de un material plástico de muy alta resistividad y separados por un volumen de gas. Cuando un muón pasa a través de la cámara, los electrones son expulsados 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 en cambio son captados por tiras metálicas externas después de un pequeño pero preciso retraso de tiempo. El patrón de las tiras impactadas proporciona una medida rápida del momento del muón, que luego es utilizado por el disparador para tomar decisiones inmediatas sobre si vale la pena conservar los datos. Las RPC combinan una buena resolución espacial con una resolución temporal de solo un nanosegundo (una milmillonésima de segundo).
Los detectores de multiplicadores de electrones de gas (GEM) representan un nuevo sistema de muones en CMS, con el fin de complementar los sistemas existentes en los extremos. La región delantera es la parte de CMS más afectada por grandes dosis de radiación y altas tasas de eventos. Las cámaras GEM proporcionarán redundancia adicional y puntos de medición, lo que permitirá una mejor identificación de la trayectoria de los muones y también una cobertura más amplia en la región más delantera. 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/CO 2 , donde se producirá la ionización primaria debido a los muones incidentes que posteriormente darán lugar a una avalancha de electrones, proporcionando una señal amplificada. [14]
Las nuevas partículas descubiertas en el CMS suelen ser inestables y se transforman rápidamente en una cascada de partículas más ligeras, más estables y más comprensibles. Las partículas que viajan a través del CMS dejan atrás patrones característicos, o "firmas", en las diferentes capas, lo que permite identificarlas. De este modo, se puede inferir la presencia (o no) de nuevas partículas.
Para tener una buena probabilidad de producir una partícula rara, como un bosón de Higgs , se requiere una gran cantidad 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 la velocidad de cruce de 40 MHz daría como resultado 40 terabytes de datos por segundo, una cantidad que el experimento no puede esperar 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 una serie de 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 para 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 rápido y personalizado utilizando matrices de puertas programables en campo (FPGA) reprogramables.
Si un evento es transmitido por el disparador de Nivel 1, todos los datos que aún están almacenados en el búfer del detector se envían a través de enlaces de fibra óptica al disparador de "Alto Nivel", que es un software (escrito principalmente en C++ ) que se ejecuta en servidores informáticos comunes. La menor tasa de eventos en el disparador de Alto Nivel permite realizar un análisis mucho más detallado del evento que en el disparador de Nivel 1. El disparador de Alto Nivel reduce la tasa de eventos en un factor adicional de 100 hasta 1000 eventos por segundo. Luego, estos se almacenan en cinta para su posterior análisis.
Los datos que han pasado las etapas de activación y se han almacenado en cinta se duplican mediante la red en otros sitios de todo el mundo para facilitar el acceso y la redundancia. Los físicos pueden utilizar la red para acceder a los datos y realizar sus análisis.
En CMS se realiza una amplia gama de análisis, entre los que se incluyen:
El término Solenoide de Muón Compacto proviene del tamaño relativamente compacto del detector, el hecho de que detecta muones y el uso de solenoides en el detector. [25] "CMS" también es una referencia al sistema de centro de masa , un concepto importante en la física de partículas.
{{cite web}}: CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )"Como profano en la materia, diría que lo hemos conseguido", dijo Rolf-Dieter Heuer, director general del CERN, en el seminario del miércoles en el que se anunciaron los resultados de la búsqueda del bosón de Higgs. Pero cuando los periodistas le pidieron que respondiera después qué era exactamente, las cosas se complicaron. "Hemos descubierto un bosón; ahora tenemos que averiguar qué bosón es".
P: "Si no sabemos que la nueva partícula es un bosón de Higgs, ¿qué sabemos de ella?" Sabemos que es algún tipo de bosón, dice Vivek Sharma, del CMS [...]
P: "¿Están siendo demasiado cautelosos los científicos del CERN? ¿Qué pruebas serían suficientes para llamarlo bosón de Higgs?" Como podría haber muchos tipos diferentes de bosones de Higgs, no hay una respuesta directa.
[énfasis en el original]
En términos que suelen reservarse para los logros deportivos, los informes de prensa describieron el hallazgo como un hito monumental en la historia de la ciencia.
Incluso en los círculos más especializados, la nueva partícula descubierta en julio aún no se llama "bosón de Higgs". Los físicos aún dudan en llamarlo así antes de haber determinado que sus propiedades encajan con las que la teoría de Higgs predice que tiene el bosón de Higgs.
...la desintegración del bosón de Higgs en partículas tau se observa ahora con una significancia de más de 5 sigma...
{{cite journal}}: Cite journal requiere |journal=( ayuda ) (mirrores: inspire, CDS)