CMS (koelaitteisto)

CMS eli Compact Muon Solenoid (suom. kompakti myonisolenoidi) on toinen Large Hadron Colliderin kahdesta yleiskäyttöisestä hiukkasilmaisimesta, toinen on ATLAS. Ilmaisin sijaitsee 100 metrin syvyyteen kaivetussa luolassa Cessyn kunnan alueella Ranskassa. Ilmaisin on lieriön muotoinen, pituudeltaan 21 m, halkaisijaltaan 15 m, korkeudeltaan 15 m ja se painaa noin 14 000 tonnia..  Suomessa Fysiikan tutkimuslaitos tekee tutkimusta CMS:llä.

Nimi 
Ilmaisimen nimi CMS tulee sanoista compact muon solenoid (kompakti myonisolenoidi). Vaikka CMS:n lyhenteen sana kompakti ei ensi näkemältä kenties tunnu kuvaavan sitä hyvin, on CMS kooltaan huomattavasti ATLASia pienempi. Ilmaisimista CMS on kuitenkin painavampi. Lyhenteen kirjain M taas viittaa myoneihin, sillä CMS:n ulkoisesti huomattavin mittalaite on ulkokehällä sijaitseva myoni-ilmaisin. Solenoidi mainitaan nimessä siksi, että CMS käyttää magneettinaan solenoidia erotuksena ATLASin toroidiin.

Tavoitteet
Hiukkasfysiikan tutkiminen teraelektronivolttien energiatasolla
Higgsin bosonin löytäminen
Standardimallia täydentävän fysiikan löytäminen, esimerkiksi supersymmetria
LHC:n kahden yleiskäyttöisen ilmaisimen, eli CMS:n ja ATLASin, tavoite on täydentää toisiaan niin, että havaintoja voidaan varmistaa käyttäen kahta erilaisilla tekniikoilla rakennettua ilmaisinta.

Rakenne
Hiukkasten törmäykset tapahtuvat ilmaisimen keskellä. Törmäyksestä syntyvät hiukkaset hajaantuvat eri suuntiin ja ilmaisimen tavoitteena on tunnistaa törmäyksistä syntyvät hiukkaset sekä mitata niiden kulkuradat ja energiat. Neutriinoja ei voida kuitenkaan havaita, sillä ne vuorovaikuttavat aineen kanssa todella heikosti. Erilaisia hiukkasia havaitsevat ilmaisinkomponentit on asennettu CMS:ään kerroksittain. Ilmaisimen osat esitellään keskustasta ulospäin menevässä järjestyksessä.

Pii-ratailmaisin
Pii-ratailmaisin on lähinnä CMS:n keskustaa oleva ilmaisin. Sen avulla voidaan havaita varauksellisia hiukkasia ja mitata niiden tarkka reitti. Tarkka radan määrittäminen auttaa määrittämään, mistä törmäyksestä hiukkaset ovat saaneet alkunsa, sillä törmäyksiä on kymmeniä yhtä aikaa. Pii-ratailmaisimen toiminta perustuu varatun hiukkasen aiheuttamaan ionisaatioon puolijohteen pn-liitoksessa. Ionisaatio aiheuttaa sähkövirran, joka voidaan mitata elektrodeilla.

Sähkömagneettinen kalorimetri
Sähkömagneettinen kalorimetri koostuu noin 80 000 PbWO4-kristallista. Lyijyvolframiitti on hyvin tiheä materiaali, mutta se on myös läpinäkyvää. Niinpä siihen pysähtyvän hiukkasen luovuttama energia, joka vapautuu valona, voidaan mitata optisilla mittareilla. Sähkömagneettisella kalorimetrillä havaitaan elektronit ja fotonit. Ne voidaan erottaa toisistaan pii-ilmaisimen antamien tietojen perusteella. Myös osa hadroneista pysähtyy jo tässä vaiheessa.

Hadronikalorimetri
Hadronikalorimetri havaitsee kvarkeista koostuvat hadronit, joita ovat esimerkiksi protonit ja neutronit. Se koostuu kahdenlaisista kerroksista, jotka vuorottelevat: läpinäkymättömistä messinkikerroksista ja läpinäkyvistä muovikerroksista. Hadronit törmäävät materiaaliin messinkikerroksissa ja aiheuttavat monista eri hiukkasista koostuvia hadronisuihkuja, jotka luovuttavat energiaansa valona muovikerroksissa, joissa energia voidaan mitata optisilla mittareilla. Koska osa energiasta menetetään messinkikerroksissa, täytyy kokonaisenergia arvoida pelkästään läpinäkyvien kerrosten datan perusteella.

Magneetti
Useimpien hiukkasilmaisimien tapaan CMS:sä on sähkömagneetti, joka CMS:n tapauksessa on solenoidi. Sen avulla varattujen hiukkasten liikeratoja voidaan taivuttaa. Varauksellisten hiukkasten radan kaareutumisen suuruudesta voidaan päätellä hiukkasten varauksen ja massan välinen suhde. CMS:n magneetti aiheuttaa lähes 4 teslan vahvuisen magneettikentän, joka on noin 100 000 kertaa Maan magneettikenttää voimakkaampi.

Myoni-ilmaisimet
Myoni-ilmaisimet ovat CMS:n uloimmat ja suurimmat osat. Myonit ovat heikosti vaikuttavia hiukkasia, joten ne eivät pysähdy aiempiin kerroksiin. Myoni-ilmaisimia on kolmenlaisia: vaellusputkia (engl. drift tubes), katodiliuskakammioita (engl. cathode strip chambers) sekä resistiivisten laattojen kammioita (engl. resistive plate chambers). Myoni-ilmaisimien seassa on myös teräksinen kuori, joka sulkee sisäänsä magneettikentän ja ohjaa sitä. Tämä teräskuori on selvästi ilmaisimen painavin osa. Myonit eivät juuri vaikuta teräksen kanssa, joten se ei häiritse myoni-ilmaisimia.  

Vaellusputket on täytetty argonin ja hiilidioksidin seoksella ja niiden keskellä on johto, jossa on positiivinen sähkövaraus. Myoni ionisoi kaasun ja ionisaatiosta syntyvä negatiivisesti varattu elektronivyöry vaeltaa kohti johtoa, jossa sen aiheuttama sähkövirta mitataan. 

Katodiliuskakammiot sijaitsevat ilmaisimen päädyissä, joissa magneettikenttä on voimakas ja epätasainen. Niissä kammiot on täytetty argonin, hiilidioksidin ja tetrafluorimetaanin seoksella. Katodiliuskakammiot toimivat samalla periaatteella kuin vaellusputket, mutta ne sisältävät sekä negatiivisesti varattuja katodiliuskoja että positiivisesti varattuja johtoja.  

Resistiivisten laattojen kammiot täydentävät molempia ilmaisimia. Niissä kaasu on sijoitettu kahden grafiitilla päällystetyn resistiivisen levyn väliin. Ne ovat nopeita havaitsemaan hiukkaset, mutta paikan mittaus on muita myoni-ilmaisimia epätarkempi.

Datan kerääminen 
CMS kerää valtavan määrän dataa LHC:n ollessa käynnissä. Toisessa käyttövaiheessa protonisuihkut törmäsivät kerran 25 nanosekunnissa. Tämä tarkoittaa 40 000 000 suihkujen törmäystä sekunnissa. Lisäksi jokaisessa suihkujen törmäyksessä tapahtuu kymmeniä yksittäisiä protoni-protoni-törmäyksiä. Törmäysten määrä on niin valtava, ettei kaikkea voida tallentaa. Toisaalta useimmat törmäyksistä eivät ole myöskään fyysikoille kiinnostavia. Suurin osa fyysikoita kiinnostavista hiukkasista hajoaa lähes heti ja siispä on tärkeää identifioida ne hiukkaset, jotka ovat kenties jonkin mielenkiintoisen hiukkasen hajoamistuotteita. Tallennettavan datan määrää rajataan niin sanotuilla liipaisimilla, joiden tarkoituksena on valikoida tallennettavat törmäykset. Tason 1 liipaisimet toimivat hyvin nopeasti törmäyksen jälkeen ja siitä läpi päässeitä tapahtumia rajataan entisestään korkeamman tason liipaisimilla.

Lähteet

Aiheesta muualla

CMS:n virallinen sivusto

Large Hadron Collider