CMS调研.doc

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（Compact Muon Solenoid）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： 探索在Tev 量级范围的物理现象。 研究新发现的higgs boson的特性。 寻找标准模型以外的物理现象，例如：超对称，额外维度等 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p muon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) CMS muon 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