1.2. Eksperyment Compact Muon Solenoid

b¦dzie ±rednio do 20 kolizji na przeci¦cie wi¡zek3 . Osi¡gni¦cie tak wysokich energii i cz¦sto±ci
zderze« stanowi ogromne wyzwanie zarówno techniczne jak i nansowe. Aby mu podoªa¢,
przy budowie LHC (oraz eksperymentów mu towarzysz¡cych) uczestniczy okoªo 7000 zyków
pochodz¡cych z okoªo 40 pa«stw ±wiata.
Przy zderzaczu LHC powstaje 5 eksperymentów - dwa eksperymenty ogólnego
przeznaczenia, maj¡ce bada¢ zarówno zyk¦ cz¡stek elementarnych jak i ci¦»kich jonów ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) oraz CMS (Compact Muon Solenoid); eksperyment
ALICE (A Large Ion Collider Experiment), dedykowany dla zyki ci¦»kich jonów;
eksperyment LHCb (Large Hadron Collider beauty), zajmuj¡cy si¦ zyk¡ kwarków b;
poboczny eksperyment TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diraction
Dissociation at the LHC), koncentruj¡cy si¦ na badaniu procesów dyfrakcyjnych, rozpraszania
elastycznego i pomiarze przekrojów czynnych oddziaªywa« elementarnych.
Akcelerator LHC jest w ko«cowym etapie budowy, wedªug obecnych planów ma rozpocz¡¢
dziaªanie w drugiej poªowie 2008 roku.
1.2. Eksperyment Compact Muon Solenoid
Eksperyment CMS jest eksperymentem ogólnego zastosowania - wykorzystywany b¦dzie
zarówno podczas zderze« wi¡zek protonów, jak i jonów. Jego gªówne dziedziny bada«
obejmuj¡:
Poszukiwania Bozonu Higgsa
- z testów przeprowadzonych przez eksperymenty przy
akceleratorze LEP wynika, »e masa Bozonu Higgsa w Modelu Standardowym jest nie
mniejsza ni» 114.4 GeV/c2 [2]. Szacuje si¦, »e masa standardowego Bozonu Higgsa nie
przekroczy kilkuset GeV/c2 [3]. Je±li bozon Higgsa istnieje, eksperymenty powstaj¡ce
przy LHC najprawdopodobniej b¦d¡ go w stanie odkry¢.
Poszukiwania cz¡stek supersymetrycznych
- teorie supersymetryczne s¡ teoriami, w
których wszystkie ze znanych dzi± cz¡stek elementarnych zyskuj¡ superpartnera ka»demu z fermionów odpowiada¢ b¦dzie nowa cz¡stka o spinie 0, a bozonom o spinie 12 .
Jedn¡ z mo»liwych metod znalezienia supersymetrii jest poszukiwanie ±ladów
obecno±ci najl»ejszej cz¡stki supersymetrycznej (LSP). W cz¦±ci modeli cz¡stka ta
jest stabilna i bardzo sªabo oddziaªuj¡ca. Na jej obecno±¢ mogªyby wskazywa¢
przypadki o du»ej brakuj¡cej energii poprzecznej (unoszonej poza detektor wªa±nie przez
poszukiwan¡ cz¡stk¦ LSP), w których pojawia si¦ kilka jetów.
Model Standardowy
- wysokie energie i ±wietlno±ci, które zapewni LHC, umo»liwi¡
dokªadne przetestowanie Modelu Standardowego.
B¦dzie to uzupeªnieniem
bezpo±rednich poszukiwa« nowej zyki (np. próby odkrycia nowych cz¡stek), gdy»
nawet drobne odst¦pstwa od przewidywa« Modelu Standardowego mog¡ wskaza¢ dalsze
kierunki bada«. Do najwa»niejszych testów zaliczy¢ nale»y badania chromodynamiki
kwantowej, zyki oddziaªywa« sªabych i produkcji kwarków t.
Detektor eksperymentu CMS przedstawiony jest na rysunku 1.1. Detektor CMS skªada si¦ z
centralnego rejonu nazywanego beczk¡ (barrel), oraz z dwóch pokryw (endcaps) znajduj¡cych
si¦ na obu ko«cach beczki. Opis ka»dego z systemów eksperymentu CMS (magnes, detektory,
system akwizycji danych) znajduje si¦ w kolejnych sekcjach.
3
Dla wi¡zek protonów.
9
Superconducting Solenoid
Silicon Tracker
Very-forward
Calorimeter
Pixel Detector
Preshower
Hadronic
Calorimeter
Electromagnetic
Calorimeter
Muon
Detectors
C ompac t Muon S olenoid
Rysunek 1.1: Detektor eksperymentu CMS
1.2.1. Magnes
Jednym z najwa»niejszych elementów detektora CMS jest magnes. Pole magnetyczne
zakrzywiaj¡c tory naªadowanych cz¡stek, umo»liwia pomiar ich p¦du i wyznaczanie ªadunku.
Odpowiedni dobór parametrów magnesu ma ogromny wpªyw na mo»liw¡ do uzyskania
rozdzielczo±¢ p¦dow¡.
Parametry magnesu detektora CMS przedstawia tablica 1.1.
W detektorze
wykorzystywany jest solenoidalny magnes nadprzewodz¡cy.
O wyborze magnesu
solenoidalnego zadecydowaªy gªównie dwa czynniki [7]:
• Gi¦cie torów cz¡stek odbywa si¦ w pªaszczy¹nie prostopadªej do wi¡zki. Jednocze±nie
maªe rozmiary poprzeczne wi¡zek okre±laj¡ pozycj¦ (w pªaszczy¹nie poprzecznej)
pierwotnego wierzchoªka oddziaªywania z dokªadno±ci¡ <20μm. Uªatwia to dziaªanie
tych systemów wyzwalania, które opieraj¡ si¦ na pomiarze p¦dów produkowanych
cz¡stek (np. mionów).
• Zastosowanie magnesu solenoidalnego wraz z jarzmem zwrotnym umo»liwia zmniejszenie
rozmiarów detektora4 .
Eksperyment ATLAS stosuje dwa typy magnesów - maªy magnes solenoidalny o polu 2T oraz du»y,
zewn¦trzny magnes toroidalny o polu okoªo 4T. Zastosowanie magnesu toroidalnego powoduje, »e detektor
eksperymentu ATLAS jest znacznie wi¦kszy od detektora CMS - jego ±rednica wynosi 25 m, dªugo±¢ za± 46 m
(dla CMS warto±ci te wynosz¡ odpowiednio 16 m i 21 m)
4
10
Pole wewn¡trz cewki
4T
Pole w jarzmie magnesu (na zewn¡trz cewki) 1.8T
Dªugo±¢
12.9 m
Wewn¦trzna ±rednica
5.9 m
Nat¦»enie pr¡du
19.5 kA
Tablica 1.1: Parametry magnesu eksperymentu CMS
W drugiej poªowie 2006 r. magnes zostaª uruchomiony i pomy±lnie przetestowany osi¡gni¦to zakªadan¡ warto±¢ pola magnetycznego 4T.
1.2.2. Skªadowe detektora eksperymentu CMS
W eksperymencie CMS wykorzystywane jest kilka rodzajów detektorów:
•
Detektor ±ladowy (tracker) - jest detektorem znajduj¡cym si¦ najbli»ej miejsca
przeci¦cia wi¡zek. Informacja pochodz¡ca z trackera sªu»y dokªadnemu wyznaczaniu
pozycji wierzchoªków oddziaªywania oraz torów cz¡stek produkowanych w zderzeniu.
Zrekonstruowane tory pozwalaj¡ na wyznaczanie z du»¡ dokªadno±ci¡ p¦dów cz¡stek
naªadowanych.
Tracker korzysta z dwu typów detektorów krzemowych - detektory pikselowe
(mozaikowe) i paskowe. Zastosowanie poszczególnych typów detektorów krzemowych
jest podyktowane zmieniaj¡cym si¦ wraz z poªo»eniem nat¦»eniem przelatuj¡cych
cz¡stek:
W obszarze najbli»szym wierzchoªka oddziaªywania stosowane s¡ detektory
pikselowe. Rozmiar pojedynczego piksela wynosi okoªo 100×150 μm2 , co przy
oczekiwanej liczbie ∼107 /s (dla odlegªo±ci 10 cm od wierzchoªka oddziaªywania)
oddziaªuj¡cych z detektorem pikselowym cz¡stek powoduje zaj¦to±¢ na poziomie
10−4 (na przeci¦cie wi¡zek przy wysokiej ±wietlno±ci).
W dalszym obszarze (od 20 do 55 cm), dzi¦ki stosunkowo maªemu strumieniowi
cz¡stek, u»ywane s¡ detektory paskowe o rozmiarze 10 cm×80μm lub wi¦kszym5 .
Przewidywana zaj¦to±¢ wynosi 2-3% na przeci¦cie wi¡zek.
W zewn¦trznym obszarze trackera (> 55 cm) strumie« cz¡stek jest na tyle maªy, »e
mo»liwe jest stosowanie detektorów paskowych o rozmiarze a» do 25 cm×180μm.
Przekªada si¦ to na zaj¦to±¢ równ¡ okoªo 1%.
Maªa zaj¦to±¢ detektora krzemowego jest wymagana do skutecznej rekonstrukcji torów
cz¡stek. Dla zderze« jonowych zaj¦to±¢ wzrasta (do 1% dla detektora pikselowego i do
20% dla detektorów paskowych), mimo to poprawna rekonstrukcja jest nadal mo»liwa.
Do budowy trackera wykorzystano 210 m2 krzemu. Jest to najwi¦ksze urz¡dzenie tego
typu jakie powstaªo.
•
Kalorymetr elektromagnetyczny (ECAL) - sªu»y do pomiaru energii elektronów i
fotonów, jest drugim w odlegªo±ci urz¡dzeniem od wi¡zki (bli»ej jest tylko tracker). W
jego budowie wykorzystano ponad 80 000 krysztaªów wolframianu oªowiu (PbWO4 ),
Poniewa» paski w ró»nych warstwach uªo»one s¡ wzgl¦dem siebie pod k¡tem, to dokªadno±¢ pomiaru
poªo»enia we wszystkich wspóªrz¦dnych jest porównywalna
5
11
pokrywa obszar o pseudopo±pieszno±ci |η| < 3. W krysztaªach przelatuj¡cy foton
lub elektron doprowadza do powstania kaskady skªadaj¡cej si¦ gªównie z elektronów,
pozytonów i fotonów. Przelatuj¡ce naªadowane cz¡stki kaskady doprowadzaj¡ do
wytworzenia ±wiatªa scyntylacyjnego w krysztaªach, które nast¦pnie jest rejestrowane
przez fotodiody lawinowe.
Kalorymetr elektromagnetyczny skªada si¦ z trzech cz¦±ci - kalorymetru beczki
(Electromagnetic Barrel Calorimeter - EB; pokrywa obszar o |η| < 1.479), kalorymetru
pokryw (Electromagnetic Endcap Calorimeter - EE; pokrywa obszar o 1.479 < |η| < 3)
oraz kalorymetru preshower, którego zadaniem (oprócz pomiaru depozytu energii)
b¦dzie separacja sygnaªu pochodz¡cego z fotonów od pochodz¡cego z pionów (π 0 ).
Przelatuj¡ce miony bardzo sªabo oddziaªuj¡ z kalorymetrem elektromagnetycznym - 210
razy ci¦»sze od elektronów prawie nie rozpraszaj¡ si¦ w krysztaªach (nie dochodzi do
powstania kaskady).
• Kalorymetr hadronowy (HCAL) - jest to ostatni z detektorów znajduj¡cych si¦ wewn¡trz
cewki magnesu, sªu»y do pomiaru energii cz¡stek oddziaªuj¡cych silnie. Pokrywa on
obszar o |η| < 5. Informacja o energii i kierunku kaskad (pochodz¡ca ze wszystkich
kalorymetrów) umo»liwi wyznaczanie energii i kierunku wytwarzanych w zderzeniu
kwarków i gluonów.
Kalorymetr hadronowy skªada si¦ z czterech podsystemów - wewn¦trznego kalorymetru
beczki (Hadron Barrel Calorimeter- HB; pokrywa obszar o |η| < 1.4), kalorymetrów
pokryw (Hadron Endcap Calorimeter - HE; 1.4 < |η| < 3), kalorymetru do przodu
(Hadron Forward Calorimeter - HF; 3.0 < |η| < 5.0) oraz z umieszczonego poza
solenoidem kalorymetru zewn¦trznego (HO). Warto wspomnie¢, »e projekt trygera
mionowego RPC umo»liwia wykorzystanie danych z kalorymetru HO.
Zespóª wszystkich kalorymetrów umo»liwi równie» wyznaczenie brakuj¡cej energii,
uchodz¡cej poza detektor w przypadku bardzo sªabo oddziaªuj¡cych cz¡stek, np.
neutrin. Wyznaczanie brakuj¡cej energii mo»e pomóc w poszukiwaniu nowych rodzajów
cz¡stek, np. cz¡stek supersymetrycznych.
• Komory mionowe - s¡ to detektory gazowe znajduj¡ce si¦ na zewn¡trz cewki magnesu.
W eksperymencie CMS wykorzystywane s¡ trzy typy komór
Komory DT (Drift Tube) - znajduj¡ si¦ w obszarze beczki (|η| < 1.3).
Wykorzystanie komór dryfowych w tym obszarze byªo mo»liwe dzi¦ki maªemu tªu
promieniowania, stosunkowo maªej cz¦sto±ci mionów oraz dzi¦ki maªej warto±ci
pola magnetycznego pomi¦dzy warstwami »elaza
Komory CSC (Cathotde Strip Chamber) - znajduj¡ si¦ w obszarze pokryw
(0.9 < |η| < 2.4), gdzie tªo promieniowania, cz¦sto±¢ mionów oraz warto±¢ pola
magnetycznego b¦d¡ du»e
Komory RPC (Resistive Plate Chamber) - stosowane s¡ zarówno w beczce jak i
pokrywach, w obszarze o |η| < 2.1, a wi¦c pokrywaj¡ si¦ z komorami DT i CSC.
Charakteryzuj¡ si¦ doskonaªym czasem reakcji (∼ 3 ns), co umo»liwia dokªadn¡
identykacj¦ przeci¦cia wi¡zek. Przestrzenna zdolno±¢ rozdzielcza komór RPC jest
jednak znacznie gorsza ni» komór DT i CSC.
12
1.2.3. Wyzwalanie i akwizycja danych
W LHC zderzenia zachodzi¢ b¦d¡ z cz¦sto±ci¡ 40 MHz (co 25 ns). Obj¦to±¢ danych z
pojedynczego zderzenia w eksperymencie CMS wynosi okoªo 1 MB. Zapis wszystkich zderze«
wymagaªby zatem obsªu»enia strumienia danych 40 TB na sekund¦, co przekracza mo»liwo±ci
dzisiejszych komputerów - mo»liwy do zapisania strumie« jest rz¦du 100 MB. Eksperyment
CMS planuje zapisywa¢ od 150 do 300 zdarze« w ka»dej sekundzie. Oznacza to konieczno±¢
redukcji strumienia danych o 5 rz¦dów wielko±ci. Aby w peªni móc wykorzysta¢ mo»liwo±ci
oferowane przez LHC, nale»y w efektywny sposób na bie»¡co wybiera¢ interesuj¡ce zderzenia.
Zajmuje si¦ tym system wyzwalania danych eksperymentu CMS.
Wyzwalanie w eksperymencie CMS odbywa si¦ dwuetapowo. W pierwszym etapie cz¦sto±¢
40 MHz przypadków jest redukowana do cz¦sto±ci rz¦du kilkudziesi¦ciu kHz (nie wi¦kszej
ni» 100 kHz) przez tryger pierwszego stopnia (Level 1 Trigger - L1). Decyzja o akceptacji
musi zosta¢ podj¦ta dla ka»dego przypadku (czyli co 25 ns) w czasie krótszym ni» 3.2μs
(ograniczenie to wynika z dªugo±ci buforów danych). Krótki czas reakcji wymaga, aby tryger
pierwszego byª stopnia realizowany przez dedykowan¡ elektronik¦.
Przypadki, które zaakceptowaª tryger pierwszego stopnia, przetwarzane s¡ nast¦pnie przez
tryger wy»szego stopnia (tj. High Level Trigger - HLT). Na tym etapie wykorzystywane s¡
informacje pochodz¡ce ze wszystkich systemów detektora CMS, w tym tak»e z detektora
±ladowego. Tryger HLT realizowany b¦dzie na farmie okoªo 1000 komputerów klasy PC,
na których dziaªa¢ ma dedykowane oprogramowanie. W wyniku dziaªania trygera wy»szego
stopnia cz¦sto±¢ przypadków ulega ostatecznej redukcji do wymaganego poziomu rz¦du 100
Hz.
Zaakceptowane przypadki s¡ nast¦pnie zapisywane w systemie przechowywania i analizy
danych. Ma on struktur¦ warstwow¡:
• Tier-0 - jest to pojedynczy i centralny o±rodek, znajduj¡cy si¦ w CERN. Gªównym
zadaniem o±rodka Tier-0 jest odczyt danych z systemu akwizycji CMS, a nast¦pnie
wst¦pna rekonstrukcja przypadków, które s¡ potem zapisywane i przesyªanie do
o±rodków z warstwy Tier-1
• Tier-1 - jest to zbiór du»ych o±rodków komputerowych rozsianych po caªym ±wiecie,
dysponuj¡cych szybkim poª¡czeniem z o±rodkiem Tier-0. Do ich zada« nale»y
przechowywanie i udost¦pnianie danych (wedªug zadanych kryteriów) centrom Tier-2.
• Tier-2 - o±rodki nale»¡ce do tej warstwy s¡ zwykle mniejsze od o±rodków Tier-1, ale jest
ich znacznie wi¦cej. Zapewniaj¡ one moc obliczeniow¡ potrzebn¡ do przeprowadzania
analiz zycznych. Wymagaj¡ one dost¦pu do o±rodków Tier-1, w celu otrzymania
danych do analizy i zapisania wyników.
Rozproszenie systemu poª¡czone z jego warstwow¡ struktur¡ zapewnia prosty dost¦p do
danych na caªym ±wiecie i tym samym uªatwia przeprowadzanie ich analiz.
1.2.4. Konstrukcja trygera pierwszego stopnia
Konstrukcj¦ trygera pierwszego stopnia przedstawia rysunek 1.2. Skªada si¦ on z trzech
podstawowych systemów - trygera globalnego (L1 Global Trigger) i podlegªych mu trygera
kalorymetrycznego (L1 Calorimeter Trigger) i trygera mionowego (L1 Global Muon Trigger,
GMT). Tryger mionowy pobiera informacj¦ dostarczane przez trzy niezale»nie od siebie
dziaªaj¡ce trygery - tryger CSC, DT oraz RPC.
13
Rysunek 1.2: Konstrukcja trygera pierwszego stopnia
Aby uzyska¢ wymagan¡ redukcj¦ cz¦sto±ci przypadków, tryger pierwszego stopnia
wykorzystuje informacje pochodz¡ce z systemów kalorymetrycznych i mionowych detektora
CMS (informacje z detektora ±ladowego nie s¡ wykorzystywane). Decyzja wypracowywana
jest na podstawie informacji o zdeponowanych i brakuj¡cych energiach, obecno±ci mionów,
fotonów, elektronów i jetów.
Tabela 1.2 przedstawia menu trygera pierwszego stopnia dla pocz¡tkowego okresu
dziaªania LHC [4] dla ±wietlno±ci L = 2 × 1033 cm−2 s−1 . Zaªo»ono maksymaln¡ cz¦sto±¢
przypadków przekazywan¡ przez tryger pierwszego stopnia równ¡ 50 kHz. Przyj¦ty zostaª
czynnik bezpiecze«stwa okoªo trzy, tak »e ±rednia cz¦sto±¢ trygera L1 jest rz¦du 20 kHz.
Kolumna tabeli Warunek zawiera informacje o wyst¦powaniu w danym przypadku
obiektów koniecznych do wyst¡pienia trygera:
• e γ - wyst¡pienie elektronu lub fotonu
• μ - wyst¡pienie mionu
• τ - wyst¡pienie leptonu τ
• HT - zmierzona energia w kalorymetrach hadronowych (odpowiednio wysoka)
• Emiss
T - brakuj¡ca energia poprzeczna (odpowiednio wysoka)
• d»et - wyst¡pienie d»etu
Kolumna Próg zawiera informacj¦ o wymaganej minimalnej energii obiektów (lub p¦du
poprzecznego w przypadku mionów, wyra»onego w GeV
c ). Mo»liwe jest te» wyzwalanie na
kombinacje obiektów wraz z zadanymi obiektami, np. warunek μ+d»et (7,100) oznacza
konieczno±¢ wyst¡pienia mionu o p¦dzie poprzecznym co najmniej 7 GeV
i d»etu o energii
c
wi¦kszej ni» 100 GeV.
W kolumnie Cz¦sto±¢ podana zostaªa cz¦sto±¢ trygerów pochodz¡ca z danego warunku
dla ±wietlno±ci.
14
W kolumnie Cz¦sto±¢ skumulowana podana zostaªa cz¦sto±¢ uwzgl¦dniaj¡ca cz¦sto±¢
przypadków pochodz¡ca z danego oraz wcze±niejszych warunków trygera. Caªkowita cz¦sto±¢
trygera pierwszego stopnia nie jest równa sumie cz¦sto±ci z poszczególnych warunków, gdy» nie
musz¡ by¢ one rozª¡czne (tj. pojedynczy przypadek mo»e speªnia¢ wi¦cej ni» jeden warunek).
Tabela 1.3 [5] zawiera przykªadowe warto±ci ci¦¢ na p¦dach poprzecznych mionów dla
pierwszych tygodni dziaªania LHC (±wietlno±¢ L = 10 cm s ). Kolumna Skalowanie
zawiera warto±¢ u»yt¡ do ograniczenia cz¦sto±ci trygerów przy danym ci¦ciu. Warto±¢
skalowania równa 1 oznacza, »e zapisany zostanie ka»dy z przypadków speªniaj¡cych dane
kryterium, warto±¢ skalowania równa 1000, »e zapisany zostanie co 1000 przypadek speªniaj¡cy
dany warunek.
32
Warunek
Próg
(GeV)
−2
−1
Cz¦sto±¢ Cz¦sto±¢ skumulowana
(kHz)
(kHz)
22
4.2 ± 0.1
4.2 ± 0.1
podwójne e γ
11
1.1 ± 0.1
5.1 ± 0.1
μ
14
2.7 ± 0.1
7.8 ± 0.2
podwójne μ
3
3.8 ± 0.1
11.4 ± 0.2
τ
100
1.9 ± 0.1
13.0 ± 0.2
podwójne τ
66
1.8 ± 0.1
14.1 ± 0.2
Wyst¡pienie 1,2,3 lub 4 d»etów 150,100,70,50 1.8 ± 0.1
14.8 ± 0.3
H
300
1.2 ± 0.1
15.0 ± 0.3
E
60
0.3 ± 0.1
15.1 ± 0.3
H +E
200, 40
0.7 ± 0.1
15.3 ± 0.3
d»et + E
100, 40
0.8 ± 0.1
15.4 ± 0.3
τ +E
60, 40
2.7 ± 0.1
17.4 ± 0.3
μ+E
5, 30
0.3 ± 0.1
17.6 ± 0.3
eγ + E
15, 30
0.7 ± 0.1
17.7 ± 0.3
μ + d»et
7, 100
0.1 ± 0.1
17.8 ± 0.3
e γ + d»et
15, 100
0.6 ± 0.1
17.8 ± 0.3
μ+τ
7, 40
1.2 ± 0.1
18.4 ± 0.3
eγ + τ
14, 52
5.4 ± 0.2
20.7 ± 0.3
eγ + μ
15, 7
0.2 ± 0.1
20.7 ± 0.3
Tablica 1.2: Menu trygera pierwszego stopnia dla niskiej ±wietlno±ci (L = 2 × 10 cm s )
eγ
T
miss
T
miss
T
T
miss
T
miss
T
miss
T
miss
T
33
15
−2
−1
Próg [ GeV
c ] Skalowanie Cz¦sto±¢ (kHz)
3
5
7
10
14
20
25
1000
1000
1
1
1
1
1
0.01
0.00
1.11
0.47
0.18
0.09
0.06
±
±
±
±
±
±
±
0.00
0.00
0.04
0.03
0.02
0.01
0.01
Tablica 1.3: Przykªadowe ci¦cia trygera L1 dla pojedynczych mionów - pocz¡tkowe miesi¡ce
dziaªania LHC (L = 1032 cm−2 s−1 )
16