Compact Muon Solenoid

Transkrypt

1 b dzie ±rednio do 20 kolizji na przeci cie wi zek 3. 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 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» GeV/c 2 [2]. Szacuje si,»e masa standardowego Bozonu Higgsa nie przekroczy kilkuset GeV/c 2 [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 1 2. 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

2 Very-forward Calorimeter Superconducting Solenoid Silicon Tracker Pixel Detector Preshower Hadronic Calorimeter Electromagnetic Calorimeter Muon Detectors Compact Muon Solenoid Rysunek 1.1: Detektor eksperymentu CMS 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 detektora 4. 4 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) 10

3 Pole wewn trz cewki 4T Pole w jarzmie magnesu (na zewn trz cewki) 1.8T Dªugo± 12.9m Wewn trzna ±rednica 5.9m 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 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 μm 2, co przy oczekiwanej liczbie 10 7 /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 kszym 5. 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 m 2 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 krysztaªów wolframianu oªowiu (PbWO 4 ), 5 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 11

4 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 < 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 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

5 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»yw efektywnysposób 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 realizowanyb dzie na farmie okoªo 1000 komputerów klasypc, 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 pojedynczyi centralnyo±rodek, znajduj cysi 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 warstwytier-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 warstwys 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 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 mionowypobiera informacj dostarczane przez trzyniezale»nie od siebie dziaªaj ce trygery - tryger CSC, DT oraz RPC. 13

6 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 = 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: eγ - wyst pienie elektronu lub fotonu μ - wyst pienie mionu τ - wyst pienie leptonu τ H T - zmierzona energia w kalorymetrach hadronowych (odpowiednio wysoka) E miss 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 c i d»etu o energii wi kszej ni» 100 GeV. W kolumnie Cz sto± podana zostaªa cz sto± trygerów pochodz ca z danego warunku dla ±wietlno±ci. 14

7 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 32 cm 2 s 1 ).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. Warunek Próg Cz sto± Cz sto± skumulowana (GeV) (khz) (khz) eγ ± ± 0.1 podwójne eγ ± ± 0.1 μ ± ± 0.2 podwójne μ ± ± 0.2 τ ± ± 0.2 podwójne τ ± ± 0.2 Wyst pienie 1,2,3 lub 4 d»etów 150,100,70, ± ± 0.3 H T ± ± 0.3 E miss T ± ± 0.3 H T + E miss T 200, ± ± 0.3 d»et + E miss T 100, ± ± 0.3 τ + E miss T 60, ± ± 0.3 μ + E miss T 5, ± ± 0.3 eγ + E miss T 15, ± ± 0.3 μ + d»et 7, ± ± 0.3 eγ + d»et 15, ± ± 0.3 μ + τ 7, ± ± 0.3 eγ + τ 14, ± ± 0.3 eγ + μ 15, ± ± 0.3 Tablica 1.2: Menu trygera pierwszego stopnia dla niskiej ±wietlno±ci (L = cm 2 s 1 ) 15

8 Próg [ GeV c ] Skalowanie Cz sto± (khz) ± ± ± ± ± ± ± 0.01 Tablica 1.3: Przykªadowe ci cia trygera L1 dla pojedynczych mionów - pocz tkowe miesi ce dziaªania LHC (L =10 32 cm 2 s 1 ) 16