LHC Status: Run III


Allgemeines
• Name: CMS (Compact Muon Solenoid)
• Länge: 21 m
• Breite: 15 m
• Höhe: 18 m
• Gewicht: 12500 Tonnen
• Position: IP 5


Genau wie ATLAS hat CMS die Hauptaufgabe das Higgs-Boson zu detektieren (falls es existiert). CMS und ATLAS verfolgen dabei unterschiedliche Strategien diesem Teilchen als erster auf die Spur zu kommen. Der CMS-Detektor ist aber auch auf die Suche nach sog. SUSY-Teilchen, supersymetrische Teilchen ausgelegt. Diese könnten weitere Aufschlüsse zu den bisherigen ungeklärten Fragen zur dunklen Materie liefern. Nicht zuletzt wird versucht, Hinweise auf Extradimensionen (Stringtheorie) durch die Bildung von mikroskopischer schwarzer Löcher zu finden.



Detektoraufbau
Der CMS-Detektor kann in drei Teile eingeteilt werden: Der Inner Tracker aus Silizium-Detektoren, ein hochpräzises Spurvermessungssystem, zeichnet die Flubahnen der elektrisch geladenen Teilchen auf. Er besteht aus einem inneren Silizium-Pixel-Detektor und dem äusseren Teil mit Silizium-Streifen-Detektoren. Dem Kalorimeter Bereich in dem neutrale und geladene Teilchen detektiert werden. Und dem äusseren Ring mit den Myonendetektoren. Das ganze wird umschlossen vom L3-Magneten.


CMS-Detektor Quelle: CERN


Pixeldetektor:
Der erste Detektor ist der Silizium-Pixeldetektor. Er besitzt drei zentrale Schichten und jeweils zwei Endkappen. Der Detektor besitzt eine Pixelgrösse von 100×150 µm und erreicht für die Messung in radialer Richtung eine Auflösung von 10 µm und für die Messung in Strahlrohrrichtung eine Auflösung von 20 µm. Die zentralen Schichten befinden sich im Abstand von 4.4 cm, 7.3 cm und 10.2 cm von der Strahlachse entfernt. Aufgrund der Nähe zur Strahlachse ist der Pixeldetektor sehr wichtig zur Identifikation von Teilchen, die erst kurz nach ihrer Entstehung zerfallen (b-Quarks, c-Quarks und Leptonen). Der Nachteil, dass der Pixel-Detektor sich so nah an der Spurachse befindet ist, dass der hohe Teilchenfluss an der Strahlachse eine kurze Lebensdauer des Detektors verursacht und diese Teile nach einer gewissen Zeit ausgetauscht werden müssen.


Einbau des Pixeldetektorarrays Quelle: CERN




Streifendetektor:
Um den Pixeldetektor herum befindet sich der Silizium-Streifendetektor. Er besteht aus zehn zylindrigen Lagen im Zentralbereich, je neun Scheiben in den Endkappen und je drei Scheiben im inneren Bereich. Die verschiedenen Detektorteile sind mit Silizium-Modulen bestückt. Die Silizium-Module sind in Streifen aufgeteilt, um so die radiale Richtung zu vermessen. Um einen guten Betrieb des Spurdetektors zu gewährleisten, und Schäden durch den hohen Teilchenfluss zu verringern, beträgt die Betriebstemperatur -20 °C. Mit dem Spurdetektor ist es möglich, eine sehr gute Spurrekonstruktion von hochenergetischen Leptonen durchzuführen.


Siliziumstreifendetektor Quelle: CERN


Verkabelung des Siliziumstreifendetektors Quelle: CERN


Elektromagnetisches Kalorimeter (ECAL):
Die Kalorimeter bestimmen die Energie der auftreffenden Teilchen - auch die der elektrisch neutralen Teilchen. Zur Energiemessung von elektromagnetisch wechselwirkenden Teilchen wie Photonen oder Elektronen wird das elektromagnetische Kalorimeter (ECAL) eingesetzt. Das Kalorimeter unterteilt sich in den Zentralbereich und in die Endkappen. Das ECAL misst die Teilchenenergie durch Absorption des Teilchens in einem Szintillator-Material. Es besteht aus über 80.000 mit je einer Photodiode bestückten PbWO4-Kristallen als Szintillator-Material. Vor den Endkappen des ECAL befinden sich zwei Silizium-Streifendetektoren, die jeweils hinter einem Blei-Absorber angeordnet sind. Dieser Absorber dient dazu den Teilchenstrahl zu schwächen und so die dahinterliegenden Detektoren zu schonen. Das durch die Szintillatoren erzeugte Licht wird über Photodioden ausgelesen. Photonen können im dem ECAL mit einer Energieauflösung von weniger als einem Prozent rekonstruiert werden.


Zylindrisch angeordnete ECAL-Einheiten Quelle: CERN


CMS enthält 80000 dieser Szintillatorkristalle Quelle: CERN


Hadronisches Kalorimeter (HCAL):
Das hadronische Kalorimeter misst die hadronischen Komponenten der Zerfallsprodukte, also z.b. Neutronen und Protonen . Über die Energie-Impuls-Bilanz können hier auch Neutrinos detektiert werden. Der grösste Teil des HCAL, der Zentral-Bereich und die Endkappen, befindet sich im Inneren des Magneten. Die Zentral- und Endkappen Kalorimeter bestehen aus Schichten von Messing und Szintillator-Material. Die Szintillatoren werden über Wellenlängenschieber ausgelesen. Messing wurde gewählt, weil es eine sehr kurze Absorptionslänge und neutrale magnetische Eigenschaften besitzt. Ausserdem lässt es sich leicht verarbeiten. Um den Vakuumtank des Magneten herum befindet sich das äussere HCAL (HO). Es trägt zu einer besseren Energieauflösung im Zentralbereich bei.


Endkappe des hadronischen Kalorimeters Quelle: CERN


Solenoidmagnet:
Aufgrund des kompakten Designs ist ein starker, superleitender Solenoid-Magnet notwendig, um eine gute Impulsauflösung für hochenergetische, geladene Teilchen zu gewährleisten. Die Bezeichnung Solenoid steht für eine zylinderförmige Magnetspule. Der Magnet ist 13 Meter lang und hat einen Durchmesser von 6 Metern. Die auf minus 270 Grad Celsius gekühlte supraleitende Spule aus einer Titan-Niob Legierung wird eine Feldstärke von bis zu 4 Tesla erreichen. Der CMS-Solenoid ist der grösste, der jemals gebaut wurde. Die Energie die in seinem Magnetfeld steckt reicht aus um 18 Tonnen Gold zu schmelzen.


Solenoidmagnet Quelle: CERN


Eisenjoch
Um die Magnetspule herum, mit den Myonkammern verwoben, befindet sich das Eisenjoch. Das Joch hat die Aufgabe die Magnetfeldlinien zu schliessen und die Myonen auf ihrem Weg durch die Myonkammern abzulenken.


Eisenjoch Quelle: CERN


Myonspektrometer:
Ein wichtiger Teil des CMS-Detektors ist das Myonsystem. Es dient dazu, den Impuls der Myonen zu bestimmen. Das Myonsystem funktioniert nur im Zusammenspiel mit dem Magneten. Das durch den Magneten erzeugte Magnetfeld, krümmt die sich in radialer Richtung bewegenden Myonen. Aus der Krümmung der Myonenbahn kann dann der Teilchenmpuls berechnet werden. Ein Myon wird einmal im Spurdetektor und einmal in den Myonkammern gemessen. Die Myonkammern befinden sich im äusseren Teil des Detektors. Bis zu den Myonkammern schaffen es hauptsächlich Myonen und Neutronen. Andere Teilchen zerfallen entweder schon vorher oder werden vom Detektor absorbiert. Neutrinos durchfliegen den Detektor und wechselwirken nur mit einer vernachlässigbaren Wahrscheinlichkeit.
Das Myonsystem misst Myonenspuren im Zentral-Bereich mit den Driftkammern und in den Endkappen mit Kathodenstreifenkammern welche von der Funktion her ähnlich aufgebaut sind wie Driftröhren. Die Myonkammern im Zentralbereich sind in zwölf Segmenten des Eisenjochrades angeordnet. In jedem Segment, getrennt durch das Eisenjoch, lagern jeweils vier Myonkammern mit einer Länge von 2 m bis zu 4 m. Jede dieser Myonenkammern besitzt dreidimensional angeordnete Driftzellen. Mit einer Myonkammer ist es somit möglich, ein 3-dimensionales Spursegment zu rekonstruieren.
Die Driftzellen haben eine Länge von 42 mm und eine Höhe von 13 mm. An den Seitenwänden der Kammern befinden sich auf einer Isolatorschicht Kathoden, an denen eine Spannung von 1200 Volt anliegt. In der Mitte der Zelle verläuft ein 50 µm dicker vergoldeter Draht, an dem eine Spannung von 3600 V anliegt. Um ein möglichst homogenes Feld zu schaffen, sind zwischen den Kathoden, an der Ober- und Unterseite der Zelle, je ein Feldformungs-Streifen angebracht. Die Zellen sind mit einer 85% Ar und 15% CO2 Mischung gefüllt. Beim Durchflug eines Myons durch eine Driftkammer ionisiert das Myon das Gasgemisch. Die ausgelösten Elektronen driften mit einer Driftgeschwindigkeit von 55 µm/ns zum Anodendraht. Mit Hilfe der gemessenen Driftzeit kann der Myonen-Durchgang durch die Kammer auf 200 µm genau bestimmt werden.
Aufgrund des höheren Teilchenflusses, sowie dem hohen inhomogenen Magnetfeld an den Endkappen kommen in diesem Bereich Kathoden-Streifenkammern, die eine schnelle Messung ermöglichen, zum Einsatz.

Die Endkappen bestehen aus je 486 trapezförmigen Kathoden-Streifenkammern. Diese arbeiten nach dem Prinzip einer Vieldraht-Proportionalkammer. Die Kammern bestehen aus zwei plattenförmigen Kathoden, zwischen denen die Anodendrähte gespannt sind. Die Gasfüllung besteht aus einer Mischung von 40% Argon, 60% Kohlendioxid und 10% Tetrafluormethan. Die Kammern erreichen eine Ortsauflösung von 200 µm.


Myonenkammern Quelle: CERN


Einbau einer Myonenkammer in das Eisenjoch Quelle: CERN


Vorwärts-Kalorimeter:
An beiden Seiten, in 11,2 m vom Wechselwirkungspunkt entfernt, befinden sich die Vorwärts-Kalorimeter (HF). Es handelt sich hier um Vieldraht-Proportionalkammern mit zwischengelegten Eisenabsorbern, damit möglichst wenige Teilchen dem Nachweis entgehen. Aufgrund der Nähe zur Strahlachse kann kein herkömliches Szintillatormaterial eingesetzt werden. Als Absorbermaterial wird Stahl und als aktives Material werden strahlungsbeständige Quarzfasern, die im Absorber eingebettet sind, verwendet. Die Energie elektrisch geladener Teilchen kann so über Cherenkov-Strahlung, die in den Quarz Fasern entsteht, vermessen werden.


Vorwärtskalorimeter Quelle: CERN


Verkabelung der Quarzfasern Quelle: CERN