46°18′34″N 6°4′37″E / 46.30944°N 6.07694°E / 46.30944; 6.07694
El experimento Compact Muon Solenoid ( CMS ) es uno de los dos grandes detectores de física de partículas de uso general construidos en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN en Suiza y Francia . El objetivo del experimento CMS es investigar una amplia gama de física, incluida la búsqueda del bosón de Higgs , dimensiones adicionales y partículas que podrían formar materia oscura .
El CMS mide 21 metros de largo, 15 m de diámetro y pesa alrededor de 14.000 toneladas. [1] Más de 4.000 personas, que representan 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]
Experimentos recientes con colisionadores, como el ahora desmantelado Gran Colisionador de Electrones y Positrones y el recientemente renovado Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN, así como el [actualizar]recientemente cerrado Tevatron en Fermilab (en octubre de 2011) , han proporcionado conocimientos y precisión notables. pruebas del modelo estándar de física de partículas. Un logro principal de estos experimentos (específicamente del LHC) es el descubrimiento de una partícula consistente 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. Estos incluyen incertidumbres en el comportamiento matemático del Modelo Estándar a altas energías, 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 principales objetivos del experimento son:
El experimento ATLAS , al otro lado del anillo del LHC, está diseñado con objetivos similares en mente, y los dos experimentos están diseñados para complementarse entre sí para ampliar el alcance y corroborar los hallazgos. CMS y ATLAS utilizan diferentes soluciones técnicas y diseños de su sistema magnético detector para lograr sus objetivos.
El CMS está diseñado como un detector de uso 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 del LHC .
El detector CMS está construido alrededor de un enorme imán solenoide. Éste toma la forma de una bobina cilíndrica de cable superconductor que genera un campo magnético de 4 teslas, aproximadamente 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 t. 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 descender bajo tierra en 15 secciones y volver a ensamblarse.
Contiene subsistemas que están diseñados para medir la energía y el momento de fotones , electrones , muones y otros productos de las colisiones. La capa más interna es un rastreador a base de 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 como para caber dentro del solenoide CMS que genera un potente campo magnético de 3,8 T. Fuera del imán se encuentran los grandes detectores de muones, que se encuentran dentro del yugo de retorno del imán.
Para obtener 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 colisiones protón -protón entre los dos haces contrarrotativos del LHC . En cada extremo del detector, los imanes enfocan los rayos 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 los haces es de 285 μrad.
A plena luminosidad de diseño , cada uno de los dos haces del LHC contendrá 2.808 haces de1,15 × 10 11 protones. El intervalo entre cruces es de 25 ns, aunque el número de colisiones por segundo es de sólo 31,6 millones debido a los espacios en el haz cuando los imanes de los inyectores se activan y desactivan.
A plena luminosidad, cada colisión producirá un promedio de 20 interacciones protón-protón. Las colisiones se producen en un centro de masa de energía de 8 TeV. Pero vale la pena señalar que para los estudios de física en la 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 que la energía total del centro de masa. es compartido por estos quarks y gluones (determinado por las funciones de distribución de partones ).
Se esperaba que la primera prueba que se realizó en septiembre de 2008 funcionara con una energía de colisión más baja de 10 TeV, pero esto fue impedido por el cierre del 19 de septiembre de 2008. Cuando esté en este nivel objetivo, el LHC tendrá una luminosidad significativamente reducida, debido a que hay menos grupos de protones en cada haz y menos protones por grupo. Sin embargo, la frecuencia reducida de los grupos permite que el ángulo de cruce se reduzca a cero, ya que los grupos están lo suficientemente espaciados para evitar colisiones secundarias en el tubo de haz experimental.
El momento de las partículas es crucial para ayudarnos a construir una imagen de los acontecimientos en el centro de la colisión. Un método para calcular el momento de una partícula es seguir su trayectoria a través de un campo magnético; cuanto más curvada era la trayectoria, menos impulso tenía la partícula. El rastreador CMS registra los caminos seguidos por las partículas cargadas encontrando sus posiciones en varios puntos clave.
El rastreador puede reconstruir las trayectorias de muones, electrones y hadrones de alta energía (partículas formadas por quarks), así como ver huellas 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 las trayectorias de las partículas con precisión y, al mismo tiempo, ser liviano para perturbar las partículas lo menos posible. Para ello, toma mediciones de posición tan precisas que las pistas se pueden reconstruir de manera confiable 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 eso los materiales de construcción se eligieron cuidadosamente para resistir la radiación. [9]
El rastreador CMS está hecho íntegramente de silicio: los píxeles, que se encuentran en el núcleo del detector y que se ocupan de las partículas de mayor intensidad, y los detectores de microcintas de silicio que lo rodean. A medida que las partículas viajan a través del rastreador, los píxeles y las microcintas producen pequeñas señales eléctricas que se amplifican y detectan. El rastreador emplea sensores que cubren un área del tamaño de una cancha de tenis, con 75 millones de canales de lectura electrónicos 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 (de hasta 16 cm de radio) constan de 100 × 150 μm de píxeles, 124 millones en total. El detector de píxeles se actualizó como parte de la actualización de fase 1 del CMS en 2017, que agregó una capa adicional tanto al cilindro como a la tapa del extremo, y acercó la capa más interna 1,5 cm a la línea de luz. [10]
Las siguientes cuatro capas (hasta un radio de 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. Hay 9,6 millones de canales en abierto en total.
Durante colisiones de luminosidad total, se espera que la ocupación de las capas de píxeles por evento sea del 0,1% y del 1 al 2% en las capas de franjas. La actualización esperada del HL-LHC aumentará el número de interacciones hasta el punto en que una ocupación excesiva reduciría significativamente la eficacia de la búsqueda de pistas. Está prevista 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. Dispone de 205 m 2 de sensores de silicio (aproximadamente el área de una cancha de tenis) en 9,3 millones de sensores microstrip que comprenden 76 millones de canales. [11]
El calorímetro electromagnético (ECAL) está diseñado para medir con alta precisión las energías de electrones y fotones .
El ECAL está construido a partir de cristales de tungstato de plomo , PbWO 4 . Se trata de 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 muy 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 χ 0 = 0,89 cm y tiene un rendimiento luminoso rápido, con un rendimiento luminoso del 80 % en un tiempo de cruce (25 ns). Sin embargo, esto se equilibra con un rendimiento luminoso 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 su lectura.
El ECAL, formado por una sección de cañón y dos "tapas finales", forma una capa entre el rastreador y el HCAL. El "barril" 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 planas ECAL cierran el cañón en ambos extremos y están compuestas por casi 15.000 cristales más.
Para mayor precisión espacial, el ECAL también contiene detectores previos a la ducha que se encuentran frente a las tapas de los extremos. Esto permite al CMS distinguir entre fotones individuales de alta energía (a menudo signos de física apasionante) y los pares cercanos menos interesantes de fotones de baja energía.
En las tapas de los extremos, la superficie interior del ECAL está cubierta por el subdetector previo a la ducha, que consta de dos capas de plomo intercaladas con dos capas de detectores de tiras de silicio. Su propósito es ayudar en la discriminación pión-fotón.
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 sin carga que no interactúan, como los neutrinos .
El HCAL consta de capas de material denso ( latón o acero ) intercaladas con mosaicos de centelleadores de plástico , leídos 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 a cada lado del punto de interacción, utiliza una tecnología ligeramente diferente de absorbentes 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 las tapas del HCAL solían ser proyectiles de artillería rusa. [12]
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 imán solenoide grande . 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 y titanio estaban destinadas originalmente a producir un campo magnético de 4 T. El campo operativo se redujo a 3,8 T en lugar de la resistencia total del diseño para maximizar la longevidad. [13]
La inductancia del imán es 14 Η y la corriente nominal para 4 T es 19.500 A , lo que da una energía total almacenada 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 apague . La resistencia del circuito (esencialmente sólo los cables que van 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 del CERN. La corriente de funcionamiento para 3,8 T es 18.160 A , lo que da una energía almacenada de 2,3 GJ .
La tarea del gran imán es desviar las trayectorias de las partículas que emergen de colisiones de alta energía en el LHC. Cuanto más impulso tiene una partícula, menos curvada es su trayectoria por el campo magnético, por lo que rastrear su trayectoria da una medida del impulso. CMS comenzó con el objetivo de tener el imán más fuerte 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 impulso incluso de partículas de alta energía.
Los detectores rastreadores y calorimétricos (ECAL y HCAL) encajan perfectamente dentro 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. Compuesto por tres capas, este "yugo de retorno" alcanza 14 metros de diámetro y también actúa como filtro, dejando pasar sólo muones y partículas que interactúan débilmente, como los neutrinos. El enorme imán también proporciona la mayor parte del soporte estructural del experimento y debe ser muy fuerte para resistir 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 de CMS. Los muones son partículas cargadas que son como los electrones y los positrones , pero son 200 veces más masivas. Esperamos que se produzcan en la desintegración de una serie de nuevas 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, 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 que probablemente registrarán una señal.
Para identificar muones y medir sus momentos, CMS utiliza tres tipos de detectores: tubos de deriva (DT), cámaras de tira catódica (CSC), cámaras de placas resistivas (RPC) y multiplicador de electrones de gas (GEM). Los DT se utilizan para mediciones precisas de trayectoria en la región central del cañón , 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 están instalados tanto en el cañón 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 atraviesa el volumen, desprende electrones de los átomos del gas. Estos siguen el campo eléctrico y terminan en el cable cargado positivamente. Registrando en qué parte del cable chocan los electrones (en el diagrama, los cables van hacia la página), así como calculando la distancia original del muón desde el cable (que se muestra aquí como distancia horizontal y se calcula multiplicando la velocidad de un electrón en el tubo por el tiempo tomado) Los DT dan dos coordenadas para la posición del muón. Cada cámara DT, con 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 central mide la coordenada en dirección paralela a la viga y los dos exteriores Los grupos miden la coordenada perpendicular.
Las cámaras de tira catódica (CSC) se utilizan en los discos de tapa terminal donde el campo magnético es desigual y las tasas de partículas son altas. Los CSC consisten en conjuntos de cables "ánodos" cargados positivamente cruzados con tiras "cátodos" de cobre cargadas negativamente dentro de un volumen de gas. Cuando los muones pasan, arrancan electrones de los átomos del gas, que acuden a los cables del ánodo creando una avalancha de electrones. Los iones positivos se alejan del cable y se acercan al cátodo de cobre, induciendo también un pulso de carga en las tiras, en ángulo recto con la dirección del cable. Como las tiras y los alambres son perpendiculares, obtenemos dos coordenadas de posición para cada partícula que pasa. Además de proporcionar información espacial y temporal precisa, los cables estrechamente espaciados hacen que los CSC sean detectores rápidos adecuados para su activación. Cada módulo CSC contiene seis capas que le permiten identificar muones con precisión y hacer coincidir sus huellas con las del rastreador.
Las cámaras de placas resistivas (RPC) son detectores gaseosos rápidos que proporcionan un sistema de activación de muones paralelo a los de los DT y CSC. Los RPC constan de dos placas paralelas, un ánodo cargado positivamente y un cátodo cargado negativamente, ambos fabricados 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 eliminados de los átomos del 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 captadas por tiras metálicas externas después de un pequeño pero preciso retraso. El patrón de las tiras de impacto proporciona una medida rápida del impulso del muón, que luego el disparador utiliza para tomar decisiones inmediatas sobre si vale la pena conservar los datos. Los RPC combinan una buena resolución espacial con una resolución temporal de sólo un nanosegundo (una milmillonésima de segundo).
Los detectores multiplicadores de electrones de gas (GEM) representan un nuevo sistema de muones en CMS, para complementar los sistemas existentes en las tapas finales. La región delantera es la parte de la CMS más afectada por grandes dosis de radiación y altas tasas de eventos. Las cámaras GEM proporcionarán puntos de medición y redundancia adicionales, lo que permitirá una mejor identificación del seguimiento de muones y también una cobertura más amplia en la región más avanzada. Los detectores CMS GEM 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 debida a los muones incidentes que posteriormente darán como resultado una avalancha de electrones, proporcionando una señal amplificada. [14]
Las nuevas partículas descubiertas en CMS serán típicamente inestables y se transformarán rápidamente en una cascada de partículas más ligeras, más estables y mejor comprendidas. Las partículas que viajan a través de CMS dejan patrones característicos, o "firmas", en las diferentes capas, lo que permite identificarlas. Entonces se puede inferir la presencia (o no) de nuevas partículas.
Para tener buenas posibilidades de producir una partícula rara, como el bosón de Higgs , se requiere un número muy grande de colisiones. La mayoría de las colisiones en el detector son "suaves" y no producen efectos interesantes. La cantidad de datos sin procesar de cada cruce es de aproximadamente 1 megabyte , lo que a una velocidad de cruce de 40 MHz daría como resultado 40 terabytes de datos por segundo, una cantidad que el experimento no puede almacenar, y mucho menos procesar adecuadamente. El sistema de activación completo reduce la tasa de eventos interesantes a un manejable 1000 por segundo.
Para lograr esto, se emplean una serie de etapas de "activación". Todos los datos de cada cruce se guardan en buffers 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 velocidad 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 el disparador de nivel 1 pasa un evento, 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 comunes. La tasa de eventos más baja en el disparador de nivel alto 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 se almacenan en cinta para análisis futuros.
Los datos que han pasado las etapas de activación y se han almacenado en cinta se duplican utilizando Grid en sitios adicionales alrededor del mundo para facilitar el acceso y la redundancia. Luego, los físicos pueden utilizar Grid para acceder y ejecutar sus análisis de los datos.
Existe una amplia gama de análisis realizados en CMS, que 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. [23] "CMS" es también una referencia al sistema de centro de masa , un concepto importante en la física de partículas.
{{cite web}}: Mantenimiento CS1: copia archivada como título ( enlace )"Como profano diría que lo tenemos", afirmó 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 lo presionaron más tarde sobre qué era exactamente "eso", las cosas se complicaron más. 'Hemos descubierto un bosón, ahora tenemos que descubrir qué bosón es'
P: 'Si no sabemos que la nueva partícula es un Higgs, ¿qué sabemos sobre ella?' Sabemos que es una especie de bosón, dice Vivek Sharma de CMS [...]
P: '¿Están siendo demasiado cautelosos los científicos del CERN? ¿Cuál sería evidencia suficiente para llamarlo bosón de Higgs? Como podría haber muchos tipos diferentes de bosones de Higgs, no hay una respuesta clara.
[énfasis en el original]
En términos normalmente reservados para los logros deportivos, los informes periodísticos 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 recibe el nombre de "bosón de Higgs". Los físicos todavía dudan en llamarlo así antes de haber determinado que sus propiedades coinciden 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 un significado superior a 5 sigma...
{{cite journal}}: Cite Journal requiere |journal=( ayuda ) (espejos: inspire, CDS)