CMS调研

粒子探测技术:--调研报告（CMS）中科大物理系CMS的调研报告CMS探测器（CompactMuonSolenoid）是LHC上两大探测器之一（另一个是ATLAS），是一个紧凑μ子螺线管探测器，要在很高的对撞率和很大的能量范围下通过鉴别和精确测量μ子、电子和光子来清晰地探测各种新物理图像，除了研究质子-质子对撞之外，还要进行重离子对撞研究。CMS以其所具有的极其丰富的物理内容，为世人瞩目。CMS这个庞然大物21.6米长，15米宽，重约14000吨，集43个国家，199个科学机构，3800科研人员智慧于一身。其中，CMS在物理方面主要聚焦于：（1）探索在Tev量级范围的物理现象。（2）研究新发现的higgsboson的特性。（3）寻找标准模型以外的物理现象，例如：超对称，额外维度等（4）研究重离子碰撞方面。从LHC碰撞中出来的每一个粒子就像许多碎片，这些碎片在以后的运动过程中由于进一步碰撞而破裂，并在运动过程中留下了径迹。CMS的主要工作就是收集每一片碎片所包含的信息。然后科学家可以根据这些信息推测出在爆炸的过程中发生了什么。为了做到这个，CMS探测器需要做到包含许多探测物质，这些物质是根据所捕获的不同粒子的特性具有特定的性质。为了更好地达到这个要求，CMS在设计上采取了层状分布。在碰撞中形成的粒子在运动过程中首先会碰到由硅像素和硅微条探测器所组成的径迹系统。这些系统能够准确的测量出穿过带点粒子的位置，并帮助科学家们重构它们的径迹。带电粒子在CMS磁场区域遵循螺旋路径，这些旋转路径的圆周曲率能够揭示粒子的动能。粒子的能量可以被第二个探测器（量能器）所测量。这些粒子比如：电子，质子和介子。这些粒子在量能器中中损失能量，被量能器测量出来。在量能器中第一层被设计可以精确地测量出电子，光子。因为电子，光子通过电磁作用相互作用，所以这层量能器叫做电磁量能器。其中包括：CMS的结构如图，在CMS的中心放置着一个13米长内径5.9米宽，4T的超导螺线管。为了在紧凑型光谱仪中得到一个很好的动量分辨率，并没有在muon室做严格要求，而是采取了一个超磁场。磁线圈的内径足够大以至于可以容纳内部的径迹室和量能器。这个径迹室是一个5.8米长，2.6米宽的圆筒。其结构为：《一》muon子系统产生的muon子主要被测量三次：内部探测器，线圈后，以及回流通量。Muons子动量的的测量使用muon子系统。这个动量的测量主要是由在材料中的多种散射决定的。对于低动量muons，最好的动量分辨可以通过硅探测器获得。线圈以外的多样性的散射和能量损失可以被忽略。可以运用这个事实结合内部的径迹室和muons探测器的测量提高muons子的动量精度。对照动量pmuon子的动量精度对比。只使用muon系统，只有内探测室，或者全系统（+η0.2;b),阀盖，（1,8,+η2.0)CMSmuon子系统的1/4层如下图，《二》CMS的层状分布如图：（1）相互作用点：这个点位于质子-质子碰撞产生的LHC的两个反向旋转的光束之间的探测器中心。在每个探测器的末端，探测器的磁铁把粒子束聚焦成相互作用点。每一个粒子束在碰撞过程中都有一个17um的半径。并且两个粒子束之间的散射角是285ura。在每两个LHC束的全设计辐射体包含2808束1.15*10~11个质子。尽管每秒的碰撞数目是31.6百万，而两个散射间隔是25ns。每个碰撞的完全发光体将产生平均20个质子-质子相互作用。碰撞在质量中心产生8Tev的能。但是，值得注意的的，研究弱电磁作用，每一次散射都是由每一个质子中的夸克和胶子发起的。所以参与每一次碰撞的实际能量会更低，因为质心能会被这些夸克和胶子均分。在2008年第一次测试本希望在10Tev更低的碰撞能操作，但是在九月份就被迫关闭。在这个靶水平，由于较少的质子束和每束较少的质子束导致LHC将会有一个显著地亮度降低。这个减少的束频率将使得散射角降到零，因为束将被发散的空间阻止下一次碰撞发生。（2）第一层：径迹室粒子的动量是非常重要的对我们构建碰撞中心情景图像。计算粒子的动量的一种方法就是通过磁场来跟踪他的路径；更弯曲的路径，粒子的动量越少。CMS探测器通过找到带点粒子关键点的位置来记录他们的路径。这个径迹室可以构造高能缪子，电子，强子的路径，并且能够追踪来自粒子衰退所产生的短生命周期的粒子例如：“b夸克”，它将用来研究物质与反物质的不同。径迹室需要精确的记录粒子的路径，同时质量轻来尽可能地较少对粒子的扰动。每个测量要精确到10um，人类头发丝宽度的一小部分。（3）第二层：电磁量能器电磁量能器的设计是用来测量电子和光子的能量，并且采用钨酸铅晶体构造。钨酸铅是一个非常致密，单光学透明的材料，用来阻止高能粒子的理想选择。钨酸铅晶体主要是金属，比不锈钢更重。电子和光子穿过它时由于和氧接触高透明而闪光。这意味着它产生的光子与粒子的能量成比例。这个高密度的晶体产生的光的特征是快速，时间短，所以要求一个精密，快速，紧凑的检测器。这个晶体的前端的尺寸是22mm*22mm,深度230mm。并且构建一个碳纤维基来保持光隔离。圆筒状的“桶”由61200个晶体形成36个“超模块”，每一个模块重约三吨，含1700个晶体。电磁量能器的性能：超模快的功能在测试束中别测量。在能量分辨中的代表性结果是作为束能的函数。这个能量分辨率符合高斯函数，这个能量函数：其中：S：随机项，N:噪音项，C：常数项。这些常数列表如下：（4）第三层：强子量能器强子量能器:顾名思义，强子量能器是用来测量由夸克和胶子所组成的强子的能量（比如：质子，中子，π介子和k介子）。此外，它还提供非相互作用的间接测量，不带电粒子，如，中微子。强子量能器由数层的密致材料（铜和钢）形成的交错的塑料闪烁体。高赝区域是仪表的强子前置（HF)探测器。它位于相互作用点的两侧。这里采用的是钢器和石英纤维技术。强子量能器的性能：来自强子量能器三个地理位置的束数据得到粒子的能反应和精度。然而对于强子量能器的规范，通常需要采用介子能精度和横向动能精度。并且横向动能公式为：以及相关的参数函数图像：《5》第四层：磁铁是一个中央装置，在它周围的磁场是4特斯拉，比地球周围的磁场强10万倍。通过粒子运动的轨迹可以推算出它们的电荷质量比。它有13米长，直径6米宽。由三层“返回轭”所组成的，同时，量能器也作为一个过滤器，只允许通过弱相互的粒子如介子和中微子。根据Muon系统的性能要求（因为muon的动能~1TeV/c),因此要求在动量P=1Tev/c处要求Δp/p≈10%的动量分辨率。CMS选取了一个大型的超导线圈其中线圈的各参数为：Field4TInnerBore5.9TLength12.9mNumberofTurns2168Current19.5kAStoredenergy2.7GJHoopstress64atmCMS线圈的主要特色使用了高纯度的稳定性铝导体和充满环氧液充当冷冲剂。这个技术已经被成功的运用到以前的ALEPH,EDLPHI和H1的结构中。《5》第五层：muons室µ子探测器和轭还从“CompactMuonSolenoid”的名字表明，检测muon介子是CMS的重要任务。µ介子电荷，就像电子和正电子粒子一样，但是比它们重200倍。我们期待他们能够在一些潜在的新粒子的衰变中产生；比如一个非常明显的粒子就是：希格斯玻色子衰变成四个µ子。因为µ子和带电粒子（可以在量能器中停下来）不同，没有相互作为，可以在铁中穿透数米。因此µ子量能器被放置在整个实验的边缘位置。为了识别出µ子并测量出它们的动量，CMS使用了三种类型的muon子探测器：漂移管（DT），阴极条室（CSC）和电阻板室（RPC).《三》计算虽然有触发系统削减，CMS还会生产大量需要分析的数据，以最好性能运行时，每年会产生万兆字节的数据。为了应对这种挑战，LHC采用了一种新的计算系统，分布式计算和数据存储设施，堪称“全球LHC计算网格”。在“网格”中，成千上万的标准个人电脑的合作有更多的处理能力，而不是由一台超级计算机来实现。这给全世界成千上万的科学家提供数据。在欧洲核子研究中心“0级”首先重构完整的碰撞事件然后又分析师寻找模型；数据有很长的路要走，一旦欧洲核子研究中心做一个数据的备份；在法国，德国，意大利，西班牙，台湾，英国，和美国，这种程序在实验中再次重建，以提高计算，校准精度常数。……