Kompaktni mionski solenoid

**Kompaktni mionski solenoid** ili **CMS** (engl. *Compact Muon Solenoid*) projektiran je kako bi omogućio otkrivanje i proučavanje prvenstveno Higgsovog sektora Standardnog modela. Ustvari, on ima za cilj, kao i Veliki hadronski sudarač ili LHC (CERN), odgovoriti na jedno od glavnih pitanja moderne fizike elementarnih čestica: pitanje o porijeklu spontanog lomljenja simetrije u Standardnom modelu. Vidljiva posljedica tog modela bila bi skalarna čestica — Higgsov bozon, ili, u slučaju da Standardni model nije potpuni opis prirode, mnoštvo novih čestica kao: nekoliko Higgsovih bozona, supersimetrične čestice, novi baždarni bozoni, tehnikolor stanja ili leptokvarkovi.

## Dijelovi CMS-a

### Supravodljivi magnet
Za precizno mjerenje količine gibanja nabijenih čestica potrebno je jako magnetsko polje, što povlači korištenje supravodljive tehnologije. Srce detektora čini supravodljivi solenoid, koji je 13 m dugačak, unutrašnjeg promjera od 6 m i jakosti magnetskog polja od 4 T. Povratno vanjsko magnetsko polje dovoljno je da saturira sloj od 1,5 m željeza, u kojem su integrirana četiri sloja mionskih stanica. Svaka mionska stanica sastoji se od nekoliko slojeva aluminijskih driftnih cijevčica ili DT (eng. *drift tubes*), u središnjem dijelu (eng. *barrel region*), te komora s katodnim trakama ili CSC (eng. *cathode strip chambers*) i komora s otpornim pločama ili RPC (eng. *resistive plate chambers*) u prednjem dijelu (eng. *endcap region*).

Unutarnji detektor tragova i kalorimetrija smješteni su u šupljinu supravodljivog magneta dužine 5,8 m i promjera 2,6 m. Višestrukost tragova u uvjetima eksperimenta će biti jako velik, pa je vrlo važna visoka razlučivost i preciznost, zbog čega detektor tragova ima 10 slojeva silicijevih detektora s mikrotrakama (eng. *silicon microstrip detector*). Detektor takoder ima 3 sloja silicijskih piksel detektora, koji su smješteni odmah oko točke sudara, kako bi se omogućilo precizno mjerenje parametra raspršenja ili IP (eng. *impact parameter*) za tragove nabijenih čestica, te pozicija sekundarnog vrha (eng. *secondary vertex*).

### Elektromagnetski kalorimetar
**Elektromagnetski kalorimetar** ili **ECAL** (engl. *electromagnetic calorimeter*) sadrži kristale olovnog volframata (PbWO4) i pokriva područje pseudorapiditeta do |η| 0 česticama smješten je ispred ECAL-a, na prednjem dijelu.

Elektromagnetski kalorimetar CMS detektora je hermetički homogeni kalorimetar napravljen od 61 200 kristala olovnog volframida (PbWO4) koji su smješteni u središnji dio, te je zatvoren sa 7 324 kristala u svakom od prednjih dijelova. Detektor za predpljusak (engl. *preshower*) postavljen je ispred kristala prednjeg dijela. Lavinske fotodiode (APD) korištene su u središnjem, a vakuumske fototriode (VPT) u prednjim dijelovima. Korištenje kristala velike gustoće omogućilo je dizajniranje kalorimetra s velikom brzinom odgovora, visokom zrnatošću, te radijacijskom otpornošću, a to su sve bitne karakteristike uvjeta na LHC-u. Mogućnost detekcije dva fotona iz raspada Higgsovog bozona bio je jedan od važnijih kriterija za dizajn ECAL-a. Spomenuta mogućnost je postignuta visokom razlučivošću homogenog kristalnog klorimetra.

#### Kristali olovnog volframata — PbWO<sub>4</sub>
Zbog svojih karakteristika, kristali olovnog volframata pogodan su izbor za rad u LHC uvjetima. Velika gustoća (8,28 g/cm2), mala radijacijska duljina (8,9&nbsp;mm) i mali Molierov polumjer (22&nbsp;mm), omogućuju veliku zrnatost i kompaktnost kalorimetra. Relaksacijsko vrijeme scintiliranja i interval između dva sudara paketa protona istog je reda veličine, tj. oko 80% svjetla je emitirano unutar 25 ns. Intenzitet izlaznog svjetla relativno je nizak (oko 4,5 fotoelektrona po MeV-u na 18 ºC) i podložan je temperaturnim promjenama. Kristali emitiraju plavo-zeleno scintilacijsko svjetlo u širokom pojasu (420–430&nbsp;nm).

Scintilirajući kristali moraju izdržati visoku razinu radijacije, koja je predviđena za vrijeme trajanja pokusa. Ionizirajuće zračenje stvara apsorpcijske pojaseve stvaranjem centara boje zbog kisikovih šupljina i nečistoća u rešetci. Posljedica toga je gubitak transmisijskih svojstava ovisan o valnoj duljini, ali bez promjena u scintilacijskom mehanizmu. Spomenuta oštećenja mogu se pronaći i ispraviti laserskim praćenjem prozirnosti kristala. S druge strane, kristali imaju svojstvo oporavka prozirnosti, pa se stvara ravnotežno stanje između oštećenja i oporavka.

#### Geometrijska, mehanička i ostala svojstva ECAL-a
Dio ECAL-a u središnjem dijelu pokriva područje pseudorapiditeta do |η| 2, a vanjska 26 × 26&nbsp;mm2. Duljina im je 230&nbsp;mm, što odgovara 25,8 X0. Ukupna masa središnjeg dijela ECAL-a je 67,4 tone.

Središta prednjih površina kristala su na polumjeru 1,29 m. Skupina kristala postavljena u tanku opnastu strukturu čini submodul. Opna se sastoji od sloja aluminija, koji je odmah uz kristal, te dvostrukog sloja karbonskih vlakana i epoksidne smole. Nominalna udaljenost između kristala unutar submodula je 0,35&nbsp;mm, a među submodulima 0,5&nbsp;mm. Kako bi se smanjio broj različitih tipova kristala, a time i cijena, svaki submodul ima samo dva oblika, lijevu i desnu zrcalnu sliku istog oblika. Ukupno postoji samo 17 takvih parova oblika. Submoduli čine module različitih tipova, ovisno o η, a svaki sadrži od 400 do 500 kristala. Četiri modula, razdjeljena aluminijskom mrežom debljine 4&nbsp;mm, spajaju se u supermodule koji sadrži 1700 kristala. Osamnaest supermodula, od kojih svaki pokriva 20º u φ, čini pola središnjeg dijela ECAL-a.

Prednji dijelovi detektora pokrivaju područje pseudorapiditeta od 1,479 2, te unutarnjom 28,62 × 28,62&nbsp;mm2. Ukupna masa prednjih dijelova je 24 tona, a obujam 2,90 m3.

Broj scintilacijskih fotona i pojačanje APD-a su temperaturno zavisni. Promjene obiju veličina su negativne s rastućom temperaturom. Ukupna promjena odziva na elektrone u testovima je (−3.8 ± 0.4)% °C−1. Zbog toga je vrlo važno održavanje stalne temperature s visokom preciznošću, što zahtjeva rashladni sustav, koji može odvesti toplinu nastalu disipacijom u elektronici, te mogućnost održavanja temperature fotodetektora i kristala unutar ± 0,05%. Radna temperatura ECAL-a je 18&nbsp;°C, a kao rashladni medij izabrana je voda. Unutar središnjeg dijela, svaki supermodul se nezavisno napaja vodom na 18&nbsp;°C. Voda struji s unutrašnje strane ECAL-a, gdje služi kao toplinska pregrada između detektora tragova i ECAL-a, te kroz cijevi u aluminijskoj mreži. Između elektronike ECAL-a i samih kristala postavljen je sloj izolacijske pjene (Armaflex), kako bi se dodatno smanjio toplinski tok uzrokovan zagrijavanjem elektronike.

Fotodetektori moraju biti brzi, otporni na radijacijske učinke, te biti operabilni u longitudinalnom magnetskom polju od 4 T. Nadalje, zbog male količine svijetla koja se producira u kristalima, fotodetektori bi trebali pojačavati, te biti neosjetljivi na tranzicijske čestice poput piona. Konfiguracija magnetskog polja i očekivana razina radijacije bile su presudne u odabiru fotodetektora: lavinske fotodiode u središnjem i vakuumske fototriode u prednjim dijelovima. Niža kvantna iskoristljivost i unutarnje pojačanje vakuumske fototriode u odnosu na APD, kompenzirani su većom efektivnom površinom na pozadini kristala.

### Hadronski kalorimetar
Elektromagnetski kalorimetar (ECAL) je okružen **hadronskim kalorimetrom** ili **HCAL** (engl. *hadronic calorimeter*), koji se sastoji od scintilatora i mjedi, te pokriva područje pseudorapiditeta do |η| 0, dok debljina HCAL-a varira od 7–11 interakcijskih duljina λI , ovisno o pseudorapiditetu.

### Sustav za okidanje i sakupljanje podataka
Učestalost sudara na LHC-u je 40 MHz, što daje otprilike 109 interakcija/s na punom luminozitetu. U sadašnjim uvjetima, moguće je sačuvati samo 100&nbsp;Hz podataka, pa sustav za okidanje mora imati faktor odbijanja 106 za nezanimljive događaje. CMS-ov sustav za okidanje i sakupljanje podataka ili TriDAS (engl. *Trigger and Data Acquisition System*) sastoji se od 4 dijela: detektorska elektronika, procesori okidača prve razine (engl. *Level-1 trigger*), mreža za očitavanje podataka, te procesorska “farma” za filtriranje događaja u realnom vremenu (engl. *online event filter*).

### Unutarnji sustav za detekciju tragova
Promatrajući tok čestica na različitim udaljenostima od točke sudara u detektoru, mogu se razdvojiti tri područja detekcije tragova:
* područje najbliže točki sudara, za koje je tok čestica najveći (≈ 107 s−1 na r = 100&nbsp;mm), u kojem su smješteni piksel detektori. Pikseli su veličine ≈ 100×150 μm2, pa je vjerojatnost da dani piksel bude pogođen (okupancija) oko 10−4 po jednom sudaru paketa protona (engl. *bunch crossing*).
* područje srednjih udaljenosti (200  550&nbsp;mm) unutarnjeg sustava za detekciju tragova, u kojem je tok čestica dodatno smanjen, te je moguće koristiti silicijeve detektore s nešto većim mikrotrakama. Maksimalna veličina čelija je 25&nbsp;cm × 180 μm, a okupancija oko 1%.
Za vrijeme kada LHC sudarivačem budu kružili ioni olova (Pb–Pb sudari), okupancija piksel detektora ostati će oko 1%, te manja od 20% u vanjskim detektorima sa silicijevim trakama, pa će rekonstrukcija tragova biti moguća i u tom okruženju visoke gustoće. Vanjski polumjer detektora tragova je približno 1,1 m, a ukupna duljina oko 5,4 m.  Odmah do točke sudara, u središnjem dijelu, smještena su 3 sloja silicijevih piksel detektora (na r = 44, 73 i 102&nbsp;mm). Silicijevi detektori s mikrotrakama smješteni su na polumjerima od 200 – 1100&nbsp;mm u središnjem dijelu, dok u prednjem dijelu imamo po 2 sloja piksel detektora i 9 slojeva detektora s mikrotrakama.
 
Središnji dio je podjeljen na unutarnji i vanjski dio. Kako bi se izbjegli mali kutevi upada čestica, unutarnji dio je skraćen, te su na oslobođeni prostor dodana po 3 diska sa svake strane u prijelaznom području između prednjeg i središnjeg dijela. Ukupna površina piksel detektora je oko 1 m2, a silicijevih detektora s mikrotrakama oko 200 m2. Na taj je način pokriveno područje pseudorapiditeta do |η| 2).

Središnji dio sadrži 768 piksel modula. Veliki Lorentzov efekt (Lorentzov kut je 23º) poboljšava r − φ razlučivost kroz širenje naboja. Diskovi prednjeg dijela su uređeni u strukturu oblika turbine s krilcima zarotiranim za 20º, kako bi se opet iskoristio Lorentzov efekt. U svakom krilcu “turbine” ugrađeno je po 7 piksel modula, što znači da ima ukupno 672 modula u prednjim dijelovima. Prostorna razlučivost je 10 μm za mjerenje u r − φ smjeru i oko 20 μm za mjerenje u z smjeru. Podaci s piksel detektora očitavaju se pomoću približno 16 000 čipova koji su priljepljeni na module.

## Izvori