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Allgemeines
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• 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.
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Detektoraufbau
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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. |
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CMS-Detektor |
Quelle: CERN |
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Pixeldetektor:
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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.
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Einbau des Pixeldetektorarrays |
Quelle: CERN |
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Streifendetektor:
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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.
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Siliziumstreifendetektor |
Quelle: CERN |
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Verkabelung des Siliziumstreifendetektors |
Quelle: CERN |
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Elektromagnetisches Kalorimeter (ECAL):
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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.
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Zylindrisch angeordnete ECAL-Einheiten |
Quelle: CERN |
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CMS enthält 80000 dieser
Szintillatorkristalle |
Quelle: CERN |
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Hadronisches
Kalorimeter (HCAL):
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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. |
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Endkappe des hadronischen Kalorimeters |
Quelle: CERN |
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Solenoidmagnet:
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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. |
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Solenoidmagnet |
Quelle: CERN |
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Eisenjoch
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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. |
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Eisenjoch |
Quelle: CERN |
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Myonspektrometer:
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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. |
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Myonenkammern |
Quelle: CERN |
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Einbau einer Myonenkammer in das
Eisenjoch |
Quelle: CERN |
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Vorwärts-Kalorimeter:
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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. |
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Vorwärtskalorimeter |
Quelle: CERN |
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Verkabelung der Quarzfasern |
Quelle: CERN |
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