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Das Experiment von Compact Muon Solenoid (CMS) ist einer von zwei großen Mehrzweckpartikel-Physik-Entdeckern hat auf das Protonenproton Large Hadron Collider (LHC) an CERN in der Schweiz und Frankreich gebaut. Etwa 3,600 Menschen von 183 wissenschaftlichen Instituten, 38 Länder vertretend, bilden die CM-Kollaboration, wer gebaut hat und operieren Sie jetzt den Entdecker. Es wird in einer unterirdischen Höhle an Cessy in Frankreich gerade über die Grenze von Genf gelegen.

Hintergrund

Neue Collider-Experimente wie der jetzt demontierte Große Elektronpositron Collider an CERN und hat kürzlich Tevatron an Fermilab geschlossen, haben bemerkenswerte Einblicke in, und Präzisionstests, das Standardmodell der Partikel-Physik gewährt. Jedoch bleiben mehrere Fragen unbeantwortet.

Eine Hauptsorge ist der Mangel an jedem unmittelbaren Beweis für Higgs boson, die Partikel, die sich aus dem Mechanismus von Higgs ergibt, der eine Erklärung für die Massen von elementaren Partikeln zur Verfügung stellt. Andere Fragen schließen Unklarheiten ins mathematische Verhalten des Standardmodells an hohen Energien, dem Mangel an jeder Partikel-Physik-Erklärung für die dunkle Sache und den Gründen für die Unausgewogenheit der Sache und im Weltall beobachteten Antimaterie ein.

Der Große Hadron Collider und die verbundenen Experimente werden entworfen, um mehrere diese Fragen zu richten.

Physik-Absichten

Die Hauptabsichten des Experimentes sind:

• um Physik an TeV zu erforschen, erklettern
• Higgs boson zu entdecken

nach

• Beweisen der Physik außer dem Standardmodell, wie Supersymmetrie oder Extradimensionen zu suchen
• Aspekte von schweren Ion-Kollisionen zu studieren.

Das ATLAS-Experiment, an der anderen Seite des LHC-Rings wird mit ähnlichen Absichten im Sinn entworfen, und die zwei Experimente werden entworfen, um einander zu ergänzen, sowohl um sich auszustrecken, reichen als auch Bestätigung von Ergebnissen zur Verfügung zu stellen.

Entdecker-Zusammenfassung

CM werden als ein Mehrzweckentdecker entworfen, der dazu fähig ist, viele Aspekte von Protonenkollisionen an 14 TeV, der Energie des Zentrums der Masse des LHC Partikel-Gaspedals zu studieren. Es enthält Subsysteme, die entworfen werden, um die Energie und den Schwung von Fotonen, Elektronen, muons, und anderen Produkten der Kollisionen zu messen. Die innerste Schicht ist ein silikonbasierter Spurenleser. Umgebung davon ist ein funkelnder elektromagnetischer Kristallwärmemengenzähler, der selbst mit einem ausfallenden Wärmemengenzähler für hadrons umgeben wird. Der Spurenleser und der calorimetry sind kompakt genug, um innerhalb des CM-Solenoides zu passen, das ein starkes magnetisches Feld von 3.8 T erzeugt. Außerhalb des Magnets sind die großen muon Entdecker, die innerhalb des Rückjochs des Magnets sind.

CM durch Schichten

Für volle technische Details über den CM-Entdecker, sieh bitte den Technischen Designbericht.

Der Wechselwirkungspunkt

Das ist der Punkt im Zentrum des Entdeckers, an dem Protonenproton-Kollisionen zwischen den zwei gegenrotierenden Balken des LHC vorkommen. An jedem Ende des Entdeckers stellen die Magnete die Balken in den Wechselwirkungspunkt ein. An der Kollision hat jeder Balken einen Radius von 17 μm, und der sich treffende Winkel zwischen den Balken ist 285 μrad.

An der vollen Designlichtstärke wird jeder der zwei LHC Balken 2,808 Bündel von Protonen enthalten. Der Zwischenraum zwischen Überfahrten ist 25 ns, obwohl die Zahl von Kollisionen pro Sekunde nur 31.6 Millionen wegen Lücken im Balken ist, weil Injektor-Magnete aktiviert und ausgeschaltet werden.

An der vollen Lichtstärke wird jede Kollision einen Durchschnitt von 20 Protonenproton-Wechselwirkungen erzeugen. Die Kollisionen kommen an einem Zentrum der Massenenergie von 14 TeV vor. Aber es lohnt sich zu bemerken, dass für Studien der Physik an der Electroweak-Skala die sich zerstreuenden Ereignisse durch ein einzelnes Quark oder gluon von jedem Proton begonnen werden, und so wird die wirkliche an jeder Kollision beteiligte Energie niedriger sein, weil das Gesamtzentrum der Massenenergie durch diese Quarke und gluons (bestimmt durch die parton Vertriebsfunktionen) geteilt wird.

Wie man

erwartete, hat der erste Test, der im September 2008 gelaufen ist, an einer niedrigeren Kollisionsenergie von 10 TeV funktioniert, aber das wurde vor dem 19. September 2008 Stilllegung verhindert. Wenn an diesem Zielniveau der LHC eine bedeutsam reduzierte Lichtstärke, sowohl wegen weniger Protonenbündel in jedem Balken als auch wegen weniger Protone pro Bündel haben wird. Die reduzierte Bündel-Frequenz erlaubt wirklich dem sich treffenden Winkel, auf die Null jedoch reduziert zu werden, weil Bündel unter Drogeneinfluss weit genug sind, um sekundäre Kollisionen im experimentellen beampipe zu verhindern.

Schicht 1 - Der Spurenleser

Sofort um den Wechselwirkungspunkt dient der innere Spurenleser, um die Spuren von individuellen Partikeln zu identifizieren und sie zu den Scheitelpunkten zu vergleichen, aus denen sie entstanden sind. Die Krümmung von beladenen Partikel-Spuren im magnetischen Feld erlaubt ihrer Anklage und Schwung, gemessen zu werden.

Der CM-Silikonspurenleser besteht aus 13 Schichten im Hauptgebiet und 14 Schichten im endcaps. Die innersten drei Schichten (bis zu 11 Cm Radius) bestehen aus 100×150 μm Pixel, 66 Millionen insgesamt.

Die folgenden vier Schichten (bis zu 55 Cm Radius) bestehen aus Silikonstreifen, die von den restlichen sechs Schichten von Streifen zu einem Radius von 1.1 M gefolgt sind. Es gibt 9.6 Millionen Streifen-Kanäle insgesamt.

Während voller Lichtstärke-Kollisionen, wie man erwartet, ist die Belegung der Pixel-Schichten pro Ereignis 0.1 % und 1-2 % in den Streifen-Schichten. Die erwartete SLHC-Steigung wird die Zahl von Wechselwirkungen zum Punkt steigern, wo Überbelegung trackfinding Wirksamkeit bedeutsam reduzieren kann.

Dieser Teil des Entdeckers ist der größte Silikonentdecker in der Welt. Es hat 205 M von Silikonsensoren (ungefähr das Gebiet eines Tennisplatzes) das Enthalten von 76 Millionen Kanälen.

Schicht 2 - Der Elektromagnetische Wärmemengenzähler

Der Elektromagnetische Wärmemengenzähler (ECAL) wird entworfen, um mit der hohen Genauigkeit die Energien von Elektronen und Fotonen zu messen.

Der ECAL wird von Kristallen der Leitung tungstate, PbWO gebaut. Das ist ein äußerst dichtes, aber optisch klares Material, Ideal, um hohe Energiepartikeln aufzuhören. Es hat eine Strahlenlänge von χ = 0.89 Cm, und hat einen schnellen leichten Ertrag, mit 80 % des leichten Ertrags innerhalb einer sich treffender Zeit (25 ns). Das wird jedoch durch einen relativ niedrigen leichten Ertrag von 30 Fotonen pro MeV der Ereignis-Energie erwogen.

Die verwendeten Kristalle haben eine Vordergröße von 22 Mm × 22 Mm und eine Tiefe von 230 Mm. Sie werden in einer Matrix der Kohlenstoff-Faser veranlasst, sie optisch isoliert und unterstützt durch Silikonlawine-Fotodioden für die Ausgabe zu halten. Das Barrelgebiet besteht aus 61,200 Kristallen mit weiter 7,324 in jedem der endcaps.

Am endcaps wird die ECAL innere Oberfläche durch den Vordusche-Subentdecker bedeckt, aus zwei Schichten der mit zwei Schichten von Silikonstreifen-Entdeckern durchgeschossenen Leitung bestehend. Sein Zweck ist, im Pion-Foton-Urteilsvermögen zu helfen.

Image:Lead Vorbereitung jpg|Preparing von Tungstate Crystal führen tungstate Kristalle für den ECAL

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Schicht 3 - Der Hadronic Wärmemengenzähler

Der Zweck des Hadronic Wärmemengenzählers (HCAL) soll die Energie von individuellem hadrons sowohl messen, der in jedem Ereignis erzeugt ist, und so in der Nähe vom Okkultisten um das Wechselwirkungsgebiet zu sein, wie möglich, um Ereignissen mit der fehlenden Energie zu erlauben, identifiziert zu werden.

Der HCAL besteht aus Schichten des dichten Materials (Messing oder Stahl) durchgeschossen mit Ziegeln von Plastik scintillators, vorgelesen über Wellenlänge auswechselnde Fasern durch hybride Fotodioden. Diese Kombination wurde beschlossen, den maximalen Betrag des fesselnden Materials innerhalb der Magnet-Rolle zu erlauben.

Das hohe Pseudoschnelligkeitsgebiet

Das im endcaps des HCAL verwendete Messing hat gepflegt, russische Artillerie-Schalen zu sein.

Schicht 4 - Der Magnet

Wie die meisten Partikel-Physik-Entdecker haben CM einen großen Solenoidmagnet. Das erlaubt dem Verhältnis der Anklage/Masse von Partikeln, von der gekrümmten Spur beschlossen zu werden, dass sie im magnetischen Feld folgen. Es ist 13 M lang und 6 M im Durchmesser, und seine gekühlten Superleiten-Rollen des Niobium-Titans waren ursprünglich beabsichtigt, um ein 4 T magnetisches Feld zu erzeugen. Das Betriebsfeld wurde zu 3.8 T statt der vollen Designkraft heruntergeschraubt, um Langlebigkeit zu maximieren.

Die Induktanz des Magnets ist 14 Η, und der nominelle Strom für 4 T ist 19,500 A, eine versorgte Gesamtenergie von 2.66 GJ gebend, die zu ungefähr der einer-halben-Tonne von TNT gleichwertig sind. Es gibt Müllkippe-Stromkreise, um sich sicher zu zerstreuen, diese Energie sollte der Magnet löschen. Der Stromkreis-Widerstand (im Wesentlichen gerade die Kabel vom Macht-Konverter bis den cryostat) hat einen Wert von 0.1 mΩ, der zu einer von fast 39 Stunden unveränderlichen Schaltzeit führt. Das ist die längste Zeit, die jedes Stromkreises an CERN unveränderlich ist. Der Betriebsstrom für 3.8 T ist 18,160 A, eine versorgte Energie von 2.3 GJ gebend.

Schicht 5 - Die muon Entdecker und das Rückjoch

Um muons zu identifizieren und ihre Schwünge zu messen, verwenden CM drei Typen des Entdeckers: Antrieb-Tuben (DT), Kathode-Streifen-Räume (CSC) und widerspenstige Teller-Räume (RPC). Die DTs werden für genaue Schussbahn-Maße im Hauptbarrelgebiet verwendet, während die CSCs in den Endkappen verwendet werden. Die RPCs stellen ein schnelles Signal zur Verfügung, wenn ein muon den muon Entdecker durchführt, und sowohl im Barrel als auch in den Endkappen installiert wird.

Für die Einfügung jpg|The Bereiter Image:HCAL wartet Hadron Wärmemengenzähler-Barrel (im Vordergrund, auf dem gelben Rahmen), um in den Superleiten-Magnet (der Silberzylinder im Zentrum des roten Magnet-Jochs) eingefügt zu werden.

Image:CMS Magnet-Barrelring mit dem Teil der Räume jpg|A von Muon des Magnet-Jochs, mit Antrieb-Tuben und Räumen des widerspenstigen Tellers im Barrelgebiet.

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Das Sammeln und das Sortieren der Daten

Muster-Anerkennung

Neue in CM entdeckte Partikeln werden normalerweise nicht stabil sein und sich schnell zu einer Kaskade von leichteren, stabileren und besseren verstandenen Partikeln verwandeln. Partikeln, die durch CM reisen, lassen charakteristische Muster oder 'Unterschriften' in den verschiedenen Schichten zurück, ihnen erlaubend, identifiziert zu werden. Die Anwesenheit (oder nicht) irgendwelcher neuen Partikeln kann dann abgeleitet werden.

Abzug-System

Um eine gute Chance zu haben, eine seltene Partikel wie Higgs boson zu erzeugen, ist eine sehr hohe Zahl von Kollisionen erforderlich. Die meisten Kollisionsereignisse im Entdecker sind "weich" und erzeugen interessante Effekten nicht. Der Betrag von rohen Daten von jeder Überfahrt ist etwa 1 Megabyte, das an den 40 MHz, die Rate durchqueren, auf 40 terabytes von Daten eine Sekunde, ein Betrag hinauslaufen würde, den das Experiment nicht hoffen kann, zu versorgen oder sogar richtig zu bearbeiten. Das Abzug-System reduziert die Rate von interessanten Ereignissen unten zu lenksamen 100 pro Sekunde.

Um das zu vollbringen, wird eine Reihe von "Abzug"-Stufen verwendet. Alle Daten von jeder Überfahrt werden in Puffern innerhalb des Entdeckers gehalten, während ein kleiner Betrag der Schlüsselinformation verwendet wird, um eine schnelle, ungefähre Berechnung durchzuführen, um Eigenschaften von Interesse wie hohe Energiestrahlen, muons oder fehlende Energie zu identifizieren. Diese Berechnung "des Niveaus 1" wird in ungefähr 1 µs vollendet, und Ereignis-Rate wird durch einen Faktor des ungefähr Tausends unten zu 50 Kilohertz reduziert. Alle diese Berechnungen werden auf der schnellen, kundenspezifischen Hardware mit der reprogrammierbaren feldprogrammierbaren Tor-Reihe (FPGA) getan.

Wenn ein Ereignis durch den Abzug des Niveaus 1 passiert wird, werden alle im Entdecker noch gepufferten Daten über mit der Fasersehverbindungen zum "Hohen" Abzug gesandt, der Software (hauptsächlich geschrieben in C ++) ist, auf gewöhnlichen Computerservern laufend. Die niedrigere Ereignis-Rate im Hohen Abzug erlaubt Zeit für die viel ausführlichere Analyse des Ereignisses, getan zu werden, als im Abzug des Niveaus 1. Der Hohe Abzug reduziert die Ereignis-Rate durch einen weiteren Faktor von ungefähr eintausend unten zu ungefähr 100 Ereignissen pro Sekunde. Diese werden dann auf dem Band für die zukünftige Analyse versorgt.

Datenanalyse

Daten, der die Auslösen-Stufen passiert hat und auf dem Band versorgt worden ist, werden mit dem Bratrost an zusätzlichen Seiten um die Welt für den leichteren Zugang und die Überfülle kopiert. Physiker sind dann im Stande, den Bratrost zu verwenden, um auf ihre Analysen auf die Daten zuzugreifen und sie zu führen.

Einige mögliche Analysen könnten sein:

• Das Schauen an Ereignissen mit großen Beträgen der anscheinend fehlenden Energie, die die Anwesenheit von Partikeln einbezieht, die den Entdecker durchgeführt haben, ohne eine Unterschrift wie neutrinos zu verlassen.
• Auf den kinematics von Paaren von Partikeln schauend, die durch den Zerfall eines Elternteils, wie der Z boson erzeugt sind, einem Paar von Elektronen oder Higgs boson verfallend, der einem Paar von tau leptons oder Fotonen verfällt, um die Eigenschaften und Masse des Elternteils zu bestimmen.

Wenn sie

• auf Strahlen von Partikeln schauen, um den Weg zu studieren, haben die Quarke in den kollidierten Protonen aufeinander gewirkt.

Meilensteine

Image:Insertion der Vac-Zisterne 2.jpg|The Einfügung der Vakuumzisterne, Juni 2002

Image:CMS Yep2 Abfallgif|YE+2abstieg in die Höhle

Image:YE Plus1 steigt in die Höhle jpg|YE+1 hinunter, ein Bestandteil von CM, die 1,270 Tonnen wiegen, beendet seinen 100-M-Abstieg in die CM-Höhle, Januar 2007

Image:Run62063ev2433.png|Computer-generated Ereignis-Anzeige von Protonen, die ein Wolfram schlagen, blockieren gerade stromaufwärts CM am ersten Balken-Tag, September 2008

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Siehe auch

Links

• CM Hausseite
• CM übertreffen
• CM-Zeiten
• CM-Abteilung von der US/LHC Website
• http://petermccready.com/portfolio/07041601.html klickt Panorama - und zieht, um das Experiment im Bau zu betrachten (mit dem Ton!) (verlangt Quicktime)
• Der Zusammenbau des CM-Entdeckers, nach und nach, durch einen 3D-Zeichentrickfilm

• (Volle Designdokumentation)