Botsingen Creëert Zoekt Om te begrijpen

De CMS Detector bestaat uit 100 miljoen individuele meetelementen, die elk zoeken naar
signalen die verraden dat nieuwe deeltjes of onverwachte natuurkundige principes zichtbaar
zijn - 40 miljoen keer per seconde! Het is een van de meest ingewikkelde en ook meest precieze
wetenschappelijke instrumenten ooit gebouwd, en bevindt zich 100 m onder de grond in de buurt
van het Franse dorpje Cessy, vlak bij de Zwitserse grens bij Genève. Vanaf het einde van 2007 zal
CMS voor minstens 10 jaar data verzamelen.
Detector Gegevens
12.500 ton
21 m lang
15 m diameter
Zo groot en complex: een
technicus gebruikt draden
van 5 micrometer dik om
twee onderdelen van de
binnenste tracker met
elkaar te verbinden.
CMS zal in grote stukken
naar de hal 100 m onder de
grond worden getakeld.
De detector, in onderdelen
van 200 tot 2000 ton per
stuk, wordt daar weer in
elkaar gezet.
Een wereldwijd avontuur
Het oplossen van vraagstukken naar de mysteries van
het heelal is alleen mogelijk als wetenschappers, technici en studenten met veel verschillende
specialisaties en achtergronden samenwerken. Onderdelen van CMS zijn ontworpen en gebouwd
in instituten en bedrijven over de hele wereld, om daarna op CERN in de detector te worden
geïnstalleerd. De data analyse technieken zijn ook een wereldwijd project, en alleen mogelijk
door het gebruik van nieuwe innovatieve technologie zoals het Grid.
CMS
The Compact Muon Solenoid Experiment
(Compact Muon Solenoïde Experiment)
Botsingen
Twee
natuurkundigen,
een onderzoeker en een
promovendus,
werken
samen aan het testen van
CMS uitleeselektronica.
Creëert
Zoekt
In de assemblagehal vieren CMS medewerkers de
afronding van een van de
detectorelementen.
CERN
European Organization
for Nuclear Research
CH-1211 Geneva, Switzerland
Communication Group, September 2006
CERN-Brochure-2006-007-Ned
Vertaling: Freya Blekman, Oktober 2006
De CMS collaboratie
37 landen, 155 onderzoeksinstituten en universiteiten
2000 natuurkundigen, onder wie ongeveer 450 studenten
Om meer te weten te komen over alle aspecten van CMS: surf naar onze web site:
http://cms.cern.ch
www.cern.ch
Om te begrijpen
van protonen en zware ionen met ongekend hoge
energieën
op kleine schaal de omstandigheden een fractie van een
biljoenste seconde na de Oerknal
naar nieuwe elementaire deeltjes zoals het Higgs boson,
supersymmetrische deeltjes, mini zwarte gaten,
gravitons en nieuwe soorten zeer dichte en hete materie...
Waarom de wereld is zoals die is
Waarom sommige deeltjes meer wegen dan andere
Waaruit de zwarte materie in het heelal bestaat
Of er meer ruimtelijke dimensies zijn dan de drie die we
nu kennen
Wat de eigenschappen zijn van de hete materie met grote
dichtheid die bestond in het vroege stadium van het
heelal
Of we een universele theorie kunnen ontwikkelen en zo
ALLE natuurkundige verschijnselen kunnen verklaren
Meten is weten: alleen door experimenteren
kunnen we begrijpen hoe de natuur werkelijk
werkt. CMS is zo’n experiment
http://cms.cern.ch
De detector en de detectives
CMS
is
een
grote,
technologisch
geavanceerde detector die bestaat uit
verscheidene lagen met allemaal een
verschillende taak. Al deze lagen samen
zorgen er voor de identificatie en heel
precieze meting van de energie en
impuls van alle deeltjes die de Large
Hadron Collider (LHC) op
CERN produceert.
Patroonherkenning
Tracker
De nieuwe deeltjes die CMS verwacht te ontdekken zullen zeer
waarschijnlijk instabiel zijn, en vrijwel direct vervallen naar meer
stabiele deeltjes die we ook beter begrijpen. Elk deeltje dat door
de CMS beweegt laat een karakteristiek signaal achter, wat wordt
gebruikt om het deeltje dat deze ‘signatuur’ heeft achtergelaten
te identificeren. Uit de patronen in deze al bekende deeltjes kan
dan vervolgens het bestaan (of niet) van nieuwe deeltjes worden
geconcludeerd.
Fijn
gesegmenteerde
silicium
sensoren (strip en pixel) maken het
mogelijk om de sporen die geladen
deeltjes achter laten te gebruiken om
de deeltjesimpuls te meten. Tevens
kunnen deze detectoren helpen de
vervalslocatie van lang levende maar
instabiele deeltjes te vinden.
4T
2T
Silicium
Tracker
Elektromagnetische
Calorimeter
Elektromagnetische
Calorimeter
Hadronische
Calorimeter
Bijna 80.000 Lood-Wolfraam kristallen
(PbWO4) worden gebruikt om zeer
precies de energie van elektronen en
fotonen te meten. Een `preshower`
detector, gemaakt van silicium
sensoren, helpt om verschillende
soorten deeltjes te onderscheiden.
0m
Supergeleidende
Solenoïde
1m
Weekijzeren magneet
terugkoppeling met daarin Muon kamers
5m
6m
3m
4m
2m
Key:
Elektron
Muon
Neutraal Hadron (bijv. neutron)
Geladen Hadron (bijv. pion)
Foton
Trigger systeem
Sommige deeltjes zijn zo zeldzaam dat de protonen in de LHC tot 40
miljoen keer per seconde worden gebotst. Vervolgens wordt elke
interactie geanalyseerd door computers en snelle elektronica, om
zo alleen de interessante botsingen preciezer te hoeven bekijken.
Uiteindelijk worden maar 100 botsingen per seconde bewaard om
naderhand aan gedetailleerde analyse te worden onderworpen. In de
figuur beneden zie je een simulatie van een interessant nieuw fysisch
proces, het verwachte Higgs deeltje dat naar vier muonen vervalt.
Muon
Hadronische Calorimeter
Om en om gestapelde lagen metaal
(messing of staal) en scintillator
(plastic scintillator of kwartsvezel)
zorgen voor de bepaling van de
energie van hadronen, deeltjes zoals
protonen, neutronen, pionen en
kaonen.
Muon
Muon Detectoren
Muon
Muon
Een simulatie van een 250 GeV Higgs boson
dat vervalt naar vier muonen
Data Analyse
Supergeleidende Solenoïde
De CMS magneet, een spoel van 13 meter
lang en 6 meter in diameter gemaakt van
supergeleidend Niobium-Titanium, geleidt een
stroom van 20.000 Ampère bij een temperatuur
van -270°C. Uiteindelijk produceert de magneet
een magnetisch veld van 4 Tesla, ongeveer
100.000 maal sterker dan het aardmagnetisch
veld. Geladen deeltjes die door het magneetveld
vliegen worden afgebogen, wat het mogelijk
maakt om de deeltjes apart te observeren en
Gebeurtenissen / 2 GeV
Muonen zijn de zwaardere zusjes
van elektronen. Om de impuls van
muonen te meten gebruikt de CMS
drie typen detector: drift buizen,
kathode strip kamers en ‘resistive
plate’ kamers.
7m
12
Higgs signaal
10
8
6
4
2
0
200
220
240
260
280
300
m4µ [GeV]
Natuurkundigen van overal ter
wereld gebruiken de allernieuwste
computer
technieken
(zoals
bijvoorbeeld het Grid) om tussen
de miljoenen CMS botsingen
die éne signatuur te vinden
voor nog niet bekende deeltjes
of onbekende natuurkundige
processen.