コンパクトミューオンソレノイド

北緯46度18分34秒 東経6度4分37秒 / 北緯46.30944度 東経6.07694度 / 46.30944; 6.07694

大型ハドロン衝突型加速器
(LHC)

LHC実験と前加速器の計画。
LHC実験
アトラス	トロイダルLHC装置
コンテンツ管理システム	コンパクトミューオンソレノイド
LHCb	LHC-ビューティー
アリス	大型イオン衝突型加速器実験
トーテム	全断面積、弾性散乱および回折解離
LHCf	LHC フォワード
モエダル	LHC のモノポールおよびエキゾチック検出器
ファサー	前方検索実験
SND	散乱およびニュートリノ検出器
LHC前駆加速器
pとPb	陽子（Linac 4）および鉛（Linac 3）用の線形加速器
（マークなし）	陽子シンクロトロンブースター
追伸	陽子シンクロトロン
ＳＰＳ	スーパープロトンシンクロトロン

コンパクト・ミューオン・ソレノイド（CMS）実験は、スイスとフランスの欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）に建設された2つの大型汎用粒子物理学 検出器のうちの1つです。CMS実験の目的は、ヒッグス粒子、余剰次元、暗黒物質を構成する可能性のある粒子の探索など、幅広い物理学を調査することです。

CMSは長さ21メートル、直径15メートル、重さ約14,000トンです。^[1] 206の科学機関と47か国を代表する4,000人以上がCMS共同体を形成し、検出器を建設し、現在運用しています。^{[2]検出器は、}ジュネーブの国境を越えたフランスのセシー にある洞窟にあります。2012年7月、 ATLASとともに、CMSはヒッグス粒子を暫定的に発見しました。^{[3] [4] [5]} 2013年3月までにその存在が確認されました。^[6]

欧州原子核研究機構（CERN）の現在は解体された大型電子陽電子衝突型加速器（LHC）や改修された大型ハドロン衝突型加速器（LHC）、そして最近閉鎖されたフェルミ国立加速器研究所のテバトロン^{[アップデート]}（2011年10月時点）などの最近の衝突型加速器実験は、素粒子物理学の標準モデルへの注目すべき洞察と精密なテストを提供してきた。これらの実験（特にLHC）の主な成果は、ヒッグス機構から生じる粒子である標準モデルヒッグス粒子と一致する粒子の発見であり、これは素粒子の質量を説明するものである。^[7]

しかし、将来の衝突型加速器実験で答えられると期待されている疑問はまだたくさんあります。これには、高エネルギーでの標準モデルの数学的動作の不確実性、暗黒物質の提案理論（超対称性を含む）のテスト、宇宙で観測される物質と反物質の 不均衡の理由などが含まれます。

実験の主な目的は次のとおりです。

• TeVスケールの物理学を探求する
• CMSとATLASによってすでに発見されているヒッグス粒子の特性をさらに研究するため
• 超対称性や余剰次元など、標準モデルを超えた物理学の証拠を探す
• 重イオン衝突のさまざまな側面を研究するため。

LHC リングの反対側にある ATLAS 実験は、同様の目標を念頭に置いて設計されており、2 つの実験は、到達範囲の拡大と発見の裏付けの両方を目的として互いに補完し合うように設計されています。CMS とATLASは、目標を達成するために、異なる技術的ソリューションと検出器マグネット システムの設計を使用しています。

CMS は、LHC粒子加速器 の質量中心エネルギーである0.9～13.6 TeVでの陽子衝突のさまざまな側面を研究できる汎用検出器として設計されています。

CMS 検出器は、巨大なソレノイド磁石の周囲に構築されています。これは、地球の約 100,000 倍にあたる 4 テスラの磁場を生成する超伝導ケーブルの円筒形コイルの形をしています。磁場は、検出器の重量 12,500 トンの大部分を占める鋼鉄の「ヨーク」によって閉じ込められています。CMS 検出器の珍しい特徴は、LHC 実験の他の巨大検出器のように地中にその場で構築されるのではなく、地表で構築され、15 のセクションに分けて地中に降ろされて再組み立てされることです。

この磁石には、光子、電子、ミューオン、および衝突によるその他の生成物のエネルギーと運動量を測定するように設計されたサブシステムが含まれています。最内層はシリコンベースのトラッカーです。その周囲にはシンチレーション結晶電磁カロリメータがあり、その周囲にはハドロン用のサンプリングカロリメータがあります。トラッカーとカロリメータは、3.8 Tの強力な磁場を生成するCMSソレノイド内に収まるほどコンパクトです。磁石の外側には、磁石のリターンヨーク内にある大型ミューオン検出器があります。

CMS検出器の技術的な詳細については、技術設計レポートを参照してください。^[8]

これは検出器の中心点であり、LHCの 2 つの反対方向に回転するビーム間で陽子-陽子衝突が発生します。検出器の両端にある磁石がビームを相互作用点に集中させます。衝突時の各ビームの半径は 17 μm で、ビーム間の交差角度は 285 μrad です。

設計最大輝度では、2つのLHCビームのそれぞれに2,808個のバンチが含まれる。1.15 × 10 ^{11 個}の陽子。交差間隔は 25 ns ですが、インジェクター磁石の起動と停止によってビームにギャップが生じるため、1 秒あたりの衝突回数は 3,160 万回に過ぎません。

最大輝度では、各衝突で平均 20 回の陽子間相互作用が発生します。衝突は 8 TeV の質量中心エネルギーで発生します。ただし、電弱スケールの物理学の研究では、散乱イベントは各陽子からの単一のクォークまたはグルーオンによって開始されるため、質量中心エネルギー全体がこれらのクォークとグルーオンによって共有されるため (パートン分布関数によって決定)、各衝突に関与する実際のエネルギーは低くなります。

2008 年 9 月に実施された最初のテストでは、10 TeV という低い衝突エネルギーで動作することが予想されていましたが、2008 年 9 月 19 日のシャットダウンにより、この動作は阻止されました。この目標レベルに達すると、各ビーム内の陽子バンチとバンチあたりの陽子数の両方が減るため、LHC の輝度は大幅に低下します。ただし、バンチ周波数が減少すると、バンチ間の間隔が十分に広くなり、実験ビームパイプ内での二次衝突が防止されるため、交差角度をゼロに減らすことができます。

粒子の運動量は、衝突の中心で起こる出来事の全体像を把握する上で非常に重要です。粒子の運動量を計算する方法の 1 つは、磁場を通る粒子の経路を追跡することです。経路が曲がっているほど、粒子の運動量は少なくなります。CMS トラッカーは、いくつかの重要なポイントで荷電粒子の位置を検出して、荷電粒子の経路を記録します。

この追跡装置は、高エネルギーのミューオン、電子、ハドロン（クォークで構成された粒子）の軌道を再構築できるほか、物質と反物質の違いを研究するために使用されるビューティクォークまたは「bクォーク」などの非常に短寿命の粒子の崩壊から生じる軌跡を見ることができる。

追跡装置は粒子の軌跡を正確に記録する必要があるが、粒子をできるだけ乱さないように軽量でなければならない。これは、わずか数点の測定ポイントで軌跡を確実に再現できるほど正確な位置測定を行うことで実現する。各測定の精度は10μmで、これは人間の髪の毛の幅の何分の1かである。また、これは検出器の最内層であるため、最も多くの粒子を受け止めるため、放射線に耐えられるよう構成材料が慎重に選択された。^[9]

CMS トラッカーは完全にシリコンでできています。検出器の核心にあり、最も強度の高い粒子を扱うピクセルと、それを囲むシリコン マイクロストリップ検出器です。粒子がトラッカーを通過すると、ピクセルとマイクロストリップが小さな電気信号を発生させ、それが増幅されて検出されます。トラッカーには、テニス コートほどの面積をカバーするセンサーが採用されており、7,500 万の独立した電子読み出しチャネルがあります。ピクセル検出器には、1 平方センチメートルあたり約 6,000 の接続があります。

CMSシリコントラッカーは、中央領域に14層、エンドキャップに15層で構成されています。最も内側の4層（半径最大16cm）は100×150μmのピクセルで構成され、合計1億2400万個です。ピクセル検出器は、2017年のCMSフェーズ1アップグレードの一環としてアップグレードされ、バレルとエンドキャップの両方に追加の層が追加され、最も内側の層がビームラインに1.5cm近く移動しました。^[10]

次の 4 つの層 (半径最大 55 cm) は10 cm × 180 μm のシリコン ストリップで構成され、その後に残りの 6 つの層が25 cm × 180 μmのストリップで構成され、半径は 1.1 m になります。ストリップ チャネルは合計で 960 万個あります。

フルルミノシティ衝突中、イベントごとのピクセル層の占有率は 0.1%、ストリップ層では 1～2% になると予想されます。予定されているHL-LHCアップグレードにより、相互作用の回数が増加し、過剰占有によって飛跡検出の有効性が大幅に低下することになります。アップグレードは、トラッカーの性能と放射線耐性を向上させるために計画されています。

この検出器の部分は世界最大のシリコン検出器です。205平方メートルのシリコンセンサー（テニスコートの面積とほぼ同じ）と、7600万チャンネルからなる930万個のマイクロストリップセンサーを備えています^。 [ ^11]

電磁カロリメータ (ECAL) は、電子と光子のエネルギーを高精度で測定するように設計されています。

ECAL は、タングステン酸鉛 ( PbWO _{4 )}の結晶から作られています。これは、非常に高密度でありながら光学的に透明な材料で、高エネルギー粒子を止めるのに最適です。タングステン酸鉛結晶は主に金属でできており、ステンレス鋼よりも重いですが、この結晶形態に酸素が少し含まれているため、非常に透明で、電子と光子が通過するときにシンチレーションします。つまり、粒子のエネルギーに比例した光を生成します。これらの高密度結晶は、高速で短い、明確な光子バーストで光を生成するため、正確で高速でかなりコンパクトな検出器が可能になります。放射長は χ ₀  = 0.89 cm で、光収率は速く、1 回の通過時間 (25 ns) 以内に 80% の光収率が得られます。ただし、これは、入射エネルギー 1 MeV あたり 30 光子という比較的低い光収率によってバランスが取られています。使用される結晶の前面サイズは 22 mm × 22 mm、深さは 230 mm です。これらは光学的に分離するためにカーボンファイバーのマトリックス内に設置されており、読み出し用に シリコンアバランシェフォトダイオードが取り付けられています。

ECAL はバレル部分と 2 つの「エンドキャップ」で構成され、トラッカーと HCAL の間に層を形成します。円筒形の「バレル」は 61,200 個の結晶で構成され、36 個の「スーパーモジュール」に形成されています。各スーパーモジュールの重量は約 3 トンで、1,700 個の結晶が含まれています。平らな ECAL エンドキャップはバレルの両端を密閉し、さらに約 15,000 個の結晶で構成されています。

空間精度をさらに高めるため、ECAL にはエンドキャップの前に設置されたプレシャワー検出器も含まれています。これにより、CMS は単一の高エネルギー光子 (多くの場合、刺激的な物理学の兆候) と、それほど興味深くない低エネルギー光子の近接ペアを区別できます。

エンドキャップでは、ECAL の内面は、2 層の鉛と 2 層のシリコン ストリップ検出器が交互に配置されたプレシャワー サブ検出器で覆われています。その目的は、パイ中間子と光子の識別を支援することです。

ハドロンカロリメータ（HCAL）は、クォークとグルーオン（陽子、中性子、パイ中間子、カオンなど）からなる粒子であるハドロンのエネルギーを測定します。さらに、ニュートリノなどの相互作用しない非荷電粒子の存在を間接的に測定します。

HCAL は、プラスチックシンチレータのタイルが交互に配置された高密度材料 (真鍮または鋼) の層で構成され、波長シフト ファイバーを介してハイブリッド フォトダイオードによって読み取られます。この組み合わせは、磁気コイル内の吸収材料の量を最大にするために決定されました。

高擬似ラピディティ領域には、ハドロン前方 (HF) 検出器が設置されています。この検出器は、相互作用点の両側 11 メートルに位置し、読み取りにはスチール吸収体と石英ファイバーというわずかに異なる技術を使用しており、混雑した前方領域で粒子をより適切に分離できるように設計されています。HF は、CMS の相対オンライン光度システムを測定するためにも使用されます。 ${\displaystyle \scriptstyle (3.0\;<\;|\eta |\;<\;5.0)}$

HCALのエンドキャップに使用された真鍮の約半分はロシアの砲弾であった。^[12]

CMS 磁石は、地球の 10 万倍の強さの 4 テスラの磁場を持つ、実験の中心となる装置です。CMS には大きなソレノイド磁石があります。これにより、磁場内で粒子がたどる曲線の軌跡から、粒子の電荷/質量比を判定できます。長さ 13 メートル、直径 6 メートルで、冷却された超伝導ニオブチタンコイルは、当初 4 テスラの磁場を生成することを目的としていました。動作磁場は、寿命を最大化するために、設計強度のフルではなく 3.8 テスラに縮小されました。^[13]

磁石のインダクタンスは 14  Ηで、 4 Tでの公称電流は 19,500  Aであり、合計で 2.66 GJの蓄積エネルギーが得られ 、これはTNT火薬約 0.5 トンに相当します。磁石がクエンチした場合にこのエネルギーを安全に消散させるためのダンプ回路があります。回路抵抗 (基本的には電力変換器からクライオスタットまでのケーブルのみ) の値は 0.1 mΩ であり、回路の時定数はほぼ 39 時間になります。これは CERN の回路の中で最も長い時定数です。3.8  Tでの動作電流は18,160  Aであり、蓄積エネルギーは 2.3  GJになります。

大きな磁石の役割は、LHC での高エネルギー衝突から生じる粒子の進路を曲げることです。粒子の運動量が大きいほど、磁場によって進路が曲げられることが少なくなるため、進路を追跡することで運動量を測定できます。CMS は、磁場が強いほど進路が大きく曲げられるため、可能な限り強力な磁石を持つことを目指して開発されました。また、トラッカーとミューオン検出器での高精度の位置測定と組み合わせることで、高エネルギー粒子の運動量を正確に測定できます。

トラッカーとカロリメータ検出器 (ECAL と HCAL) は磁気コイル内にぴったり収まり、ミューオン検出器は磁気コイルを囲み磁場を閉じ込めて誘導する 12 面の鉄構造で挟まれています。3 層で構成されたこの「リターン ヨーク」は直径 14 メートルに達し、ミューオンとニュートリノなどの弱い相互作用をする粒子だけを通過させるフィルターとしても機能します。この巨大な磁石は実験の構造的サポートの大部分も提供し、磁石自体の磁場の力に耐えられるように非常に強力でなければなりません。

「コンパクト ミューオン ソレノイド」という名前が示すように、ミューオンの検出はCMS の最も重要なタスクの 1 つです。ミューオンは電子や陽電子と同じような荷電粒子ですが、質量は 200 倍あります。ミューオンは、いくつかの潜在的な新しい粒子の崩壊で生成されると予想されています。たとえば、ヒッグス粒子の最も明確な「特徴」の 1 つは、4 つのミューオンへの崩壊です。

ミューオンは、他の粒子と異なり、大きなエネルギーを放出することなく鉄を数メートル貫通できるため、CMS のどのカロリメータでも阻止されません。そのため、ミューオンを検出するためのチャンバーは、信号を検出する可能性のある唯一の粒子である実験の最端に配置されます。

ミューオンを識別し、その運動量を測定するために、CMS はドリフト チューブ(DT)、カソード ストリップ チャンバー (CSC)、抵抗プレート チャンバー (RPC)、ガス電子増倍管(GEM) の 3 種類の検出器を使用します。DT は中央バレル領域での正確な軌道測定に使用され、CSC はエンド キャップで使用されます。RPC はミューオンがミューオン検出器を通過するときに高速信号を提供し、バレルとエンド キャップの両方に設置されています。

ドリフトチューブ(DT) システムは、検出器のバレル部分でミューオンの位置を測定します。幅 4 cm の各チューブには、ガス空間内に引き伸ばされたワイヤが入っています。ミューオンまたは任意の荷電粒子が空間を通過すると、ガスの原子から電子が叩き出されます。電子は電界に沿って正に帯電したワイヤに到達します。ワイヤのどこに電子が当たったかを記録する (図では、ワイヤは紙面に向かって進んでいます) とともに、ミューオンがワイヤから元々離れている距離を計算する (ここでは水平距離として示され、チューブ内の電子の速度にかかった時間を掛けて計算されます) ことにより、DT はミューオンの位置の 2 つの座標を提供します。平均 2 m x 2.5 m のサイズの各 DT チャンバーは、12 のアルミニウム層で構成され、4 層ずつ 3 つのグループに配置され、各グループには最大 60 本のチューブがあります。中央のグループはビームに平行な方向に沿った座標を測定し、外側の 2 つのグループは垂直な座標を測定します。

カソード ストリップ チャンバー (CSC) は、磁場が不均一で粒子率が高いエンドキャップ ディスクで使用されます。CSC は、ガス ボリューム内で、正に帯電した「アノード」ワイヤと負に帯電した銅の「カソード」ストリップが交差するアレイで構成されています。ミューオンが通過すると、ガス原子から電子が叩き出され、電子がアノード ワイヤに集まり、電子の雪崩が発生します。正イオンはワイヤから離れて銅のカソードに向かって移動し、ワイヤの方向に対して直角のストリップに電荷パルスを誘導します。ストリップとワイヤは垂直であるため、通過する粒子ごとに 2 つの位置座標が得られます。正確な空間と時間の情報を提供するだけでなく、ワイヤの間隔が狭いため、CSC はトリガーに適した高速検出器になります。各 CSC モジュールには 6 つの層があり、ミューオンを正確に識別して、その軌跡をトラッカーの軌跡と一致させることができます。

抵抗プレートチャンバー (RPC) は、DT や CSC のものと並行するミューオントリガーシステムを提供する高速ガス検出器です。RPC は、正に帯電したアノードと負に帯電したカソードの 2 つの平行プレートで構成され、どちらも非常に高抵抗のプラスチック材料で作られ、ガス容積によって分離されています。ミューオンがチャンバーを通過すると、ガス原子から電子が叩き出されます。これらの電子は次に他の原子に衝突して電子のなだれを引き起こします。電極は信号 (電子) に対して透明であり、代わりに外部の金属ストリップによって小さいながらも正確な時間遅延の後に拾われます。衝突ストリップのパターンによってミューオンの運動量が迅速に測定され、トリガーはこれを使用して、データを保存する価値があるかどうかを即座に判断します。RPC は、優れた空間分解能とわずか 1 ナノ秒 (10 億分の 1 秒) の時間分解能を兼ね備えています。

ガス電子増倍管(GEM) 検出器は、エンドキャップの既存のシステムを補完するための CMS の新しいミューオン システムです。CMS の前方領域は、大量の放射線量と高いイベント率の影響を最も受ける部分です。GEM チャンバーは追加の冗長性と測定ポイントを提供し、ミューオン トラックの識別を向上させ、前方領域をより広くカバーできるようにします。CMS GEM 検出器は 3 つの層で構成されており、各層は 50 μm 厚の銅被覆ポリイミド箔です。これらのチャンバーは Ar/CO ₂ガス混合物で満たされており、そこで入射ミューオンによる一次イオン化が発生し、その後電子雪崩が発生して増幅された信号が提供されます。^[14]

CMS で発見された新しい粒子は、通常不安定で、より軽く、より安定し、よりよく理解されている一連の粒子に急速に変化します。CMS を通過する粒子は、さまざまな層に特徴的なパターン、つまり「シグネチャ」を残し、識別できるようにします。これにより、新しい粒子が存在するかどうかが推測されます。

ヒッグス粒子のような希少粒子を生成する可能性を高めるには、非常に多くの衝突が必要で​​す。検出器での衝突イベントのほとんどは「ソフト」であり、興味深い効果は生み出しません。各交差からの生データの量は約 1 メガバイトで、40 MHz の交差速度では 1 秒あたり 40テラバイトのデータになります 。これは、実験で保存することはおろか、適切に処理することもできない量です。フルトリガーシステムにより、興味深いイベントのレートが管理可能な 1 秒あたり 1,000 にまで削減されます。

これを実現するために、一連の「トリガー」ステージが採用されています。各交差からのすべてのデータは検出器内のバッファに保持され、少量の重要な情報を使用して高速な近似計算が実行され、高エネルギー ジェット、ミューオン、失われたエネルギーなどの対象の特徴が特定されます。この「レベル 1」の計算は約 1 μs で完了し、イベント レートは約 1,000 分の 1 に削減されて 50 kHz になります。これらの計算はすべて、再プログラム可能なフィールド プログラマブル ゲート アレイ(FPGA) を使用した高速なカスタム ハードウェアで実行されます。

レベル 1 トリガーによってイベントが渡されると、検出器にまだバッファされているすべてのデータが光ファイバーリンクを介して「高レベル」トリガーに送信されます。これは、通常のコンピュータ サーバーで実行されるソフトウェア (主にC++で記述) です。高レベル トリガーのイベント レートが低いため、レベル 1 トリガーよりもイベントの詳細な分析を行う時間を確保できます。高レベル トリガーは、イベント レートをさらに 100 分の 1 に減らして、1 秒あたり 1,000 イベントにします。これらのイベントは、将来の分析のためにテープに保存されます。

トリガー段階を通過してテープに保存されたデータは、グリッドを使用して世界中の追加サイトに複製され、アクセスが容易になり、冗長性が確保されます。物理学者はグリッドを使用してデータにアクセスし、分析を実行できます。

CMS では、次のような幅広い分析が実行されます。

• 標準モデル粒子の精密測定を実行することで、これらの粒子に関する知識を深めるとともに、検出器の較正やさまざまなコンポーネントの性能測定の協力が可能になります。
• 横方向エネルギーの損失が大きいイベントを検索します。これは、検出器を通過しても痕跡を残さない粒子が存在することを意味します。標準モデルでは、ニュートリノだけが検出器を通過しても検出されませんが、標準モデルを超えたさまざまな理論には、横方向エネルギーの損失をもたらす新しい粒子が含まれています。
• 親粒子の崩壊によって生成される粒子対の運動学（ Z粒子が電子対に崩壊する場合や、ヒッグス粒子がタウ粒子または光子対に崩壊する場合など）を研究し、親粒子のさまざまな特性と質量を決定します。
• 粒子のジェットを観察して、衝突した陽子内のパートン（クォークとグルーオン）がどのように相互作用したかを研究したり、ハドロン最終状態で現れる新しい物理学の証拠を探したりします。
• 多くの新しい物理理論によって予測される高粒子多重度の最終状態を探すことは重要な戦略です。なぜなら、一般的な標準モデルの粒子崩壊に多数の粒子が含まれることは非常に稀であり、多数の粒子が含まれるプロセスは十分に理解されているからです。

• 
  2008 年 9 月の最初のビーム デーに CMS のすぐ上流にあるタングステン ブロックに陽子が衝突する様子をコンピューターで生成したイベント表示

コンパクトミューオンソレノイドという用語は、検出器の比較的コンパクトなサイズ、ミューオンを検出するという事実、および検出器内でソレノイドを使用していることに由来しています。^[25] 「CMS」は、粒子物理学の重要な概念である 質量中心システムへの言及でもあります。

• 大型ハドロン衝突型加速器実験のリスト

• CMS コラボレーション (Bayatian, GL 他) (2006)。「CMS 物理技術設計レポート 第 1 巻: ソフトウェアと検出器の性能」(PDF)。CERN。 {{cite journal}}:ジャーナルの引用には|journal=(ヘルプ)が必要です(ミラー: inspire、CDS)

ウィキメディア・コモンズには、コンパクト・ミューオン・ソレノイドに関連するメディアがあります。

• CMSホームページ
• INSPIRE-HEPにおけるCMS実験記録
• CMS 公開結果
• CMS アウトリーチ
• CMS Times は 2008-05-22 にWayback Machineにアーカイブされています
• US/LHC ウェブサイトの CMS セクション
• CMS検出器の組み立てを3Dアニメーションで段階的に説明します
• CMS コラボレーション、S Chatrchyan ; et al. (2008-08-14)。「CERN LHC での CMS 実験」。Journal of Instrumentation。3 ( 8): S08004。doi : 10.1088/1748-0221 / 3/08/ S08004。hdl : 10067/730480151162165141。(完全な設計ドキュメント)
• Copeland 編「CMS 実験の内部」。60個のシンボル。ノッティンガム大学のBrady Haran 氏。