Das CMS - Experiment

Das CMS - Experiment
1. Einleitung: Der Large Hadron Collider LHC
Der LHC wird seit dem Ende des LEP Experiments im Jahr 2000 im LEP-Ringtunnel am
CERN in Genf aufgebaut und voraussichtlich Ende 2007 fertig gestellt sein, um im April
2008 in Betrieb gehen zu können. Es handelt sich um einen Proton-Proton-Collider, in dem
zwei gegenläufig zirkulierende Protonenstrahlen mit einer Schwerpunktsenergie s = 14TeV
an vier Wechselwirkungspunkten kollidieren werden. Zusätzlich ist ein Betrieb auch mit
schweren Ionen vorgesehen. Die hohen Teilchenenergien machen Strahlrohre notwendig, in
denen Magnetfelder von 9T herrschen müssen. Dies ist nur mit supraleitenden Magneten
möglich die bei einer Temperatur von 1,9K betrieben werden. An den
Wechselwirkungspunkten sind die vier Hauptexperimente aufgebaut. Dies sind die
Detektoren Atlas, CMS, Alice und LHCb. Bei CMS und Atlas handelt es sich um
Universaldetektoren während Alice die genauere Untersuchung von Schwerionenkollisionen
ermöglichen soll und LHCb speziell für die Messung der CP-Verletzung an B-Mesonen
ausgelegt ist.
2. Ziele des LHC
-
Entdeckung des Higgs-Bosons und Messung seiner Eigenschaften
Entdeckung supersymmetrischer Teilchen zur Bestätigung des supersymmetrischen
Modells als Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik
Nachweis eines Quark-Gluonen Plasmas als neuen Materiezustand für hohe
Energiedichten
Messung der CP-Verletzung an B-Mesonen
Generelle Suche nach „neuer Physik“ jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik
2.1 Quark Gluonen Plasma
Das Quark Gluonen Plasma ist ein bis jetzt noch hypothetischer Zustand der Materie bei dem
die Energiedichten so hoch sind, dass das Confinement der Quarks aufgehoben ist und in dem
sich Quarks und Gluonen wie freie Teilchen bewegen können. In der Natur kommen Quarks
aufgrund der Eigenschaften der starken Wechselwirkung nicht einzeln vor. Es muss immer
Ladungsneutralität nach außen gewährleistet sein und ein einzelnes Quark trägt nun mal eine
Farbladung. Das Plasma ist nach außen hin auch farbneutral aber in ihm können sich die
Quarks dann frei bewegen und wechselwirken nur noch durch elastische Stöße mit den
restlichen Partonen im Plasma. Dieser Zustand könnte kurz nach dem Urknall im Universum
geherrscht haben, weshalb seine Erforschung auch für die Kosmologie interessant ist.
2.2 CP-Verletzung an B-Mesonen
Die CP Transformation ist die Hintereinanderausführung einer C und einer P Transformation.
Die C Transformation ist die Ladungskonjugation bei der Teilchen durch ihre Antiteilchen
ersetzt werden. Die P Transformation ist die Raumspiegelung. Die CP-Symmetrie ist nicht
exakt erhalten. Die Verletzung wurde bereits 1964 am Zerfall der neutralen Kaonen entdeckt
und soll nun an B Mesonen näher erforscht werden, bei denen der Effekt stärker sein sollte.
Die CP-Verletzung könnte eine Erklärung dafür geben warum es im Universum nur noch
Materie und keine Antimaterie mehr gibt.
2.3 Das Higgs Boson
Um die Massen der Elementarteilchen zu erklären führt man ein skalares Feld, das Higgs
Feld, ein das überall im Raum auftritt. Durch die Wechselwirkung mit diesem Feld erhalten
die Teilchen dann ihre Masse. Eine direkte Einführung ist nicht möglich da Massenterme in
der Lagrangedichte die lokale Eichinvarianz verletzen würden. Daher müssen die
Eichbosonen masselos sein. Da die W und Z Bosonen der schwachen Wechselwirkung nun
aber Massen besitzen muss man diese über den Higgs Mechanismus, d.h. die Einführung des
Higgsfeldes, im nachhinein hinzufügen. Der Higgsmechanismus bewahrt die lokale
Eichinvarianz und führt gleichzeitig zu massiven W und Z Bosonen.
2.4 Supersymmetrie
Um verschiedene Ungereimtheiten des Standardmodells auszuräumen nimmt man in der
supersymmetrischen Theorie an, dass es eine neue Symmetrie nämlich zwischen Fermionen
und Bosonen geben sollte. Dies führt dazu, dass man jedem Teilchen aus dem Standardmodell
einen supersymmetrischen Partner zuweist, der für Fermionen ein Boson und für die
Eichbosonen des Standardmodells ein Fermion ist. Da man annimmt dass supersymmetrische
Teilchen nicht in normale Teilchen zerfallen können, führt man eine neue Quantenzahl ein,
die R-Parität:
3B + L + 2S
R = ( -1)
mit der Baryonenzahl B, der Leptonenzahl L und dem Spin des Teilchens S. Diese Definition
führt dazu, dass Teilchen des Standardmodells R-Parität +1 und ihre supersymmetrischen
Partner R-Parität –1 haben.
Da Susy-Teilchen also nicht in Teilchen des Standardmodells zerfallen muss dann das
leichteste supersymmetrische Teilchen stabil sein und wäre damit ein idealer Kandidat für die
dunkle Materie die man im Universum vermutet.
Das supersymmetrische Modell ermöglicht auch die Vereinheitlichung der
elektromagnetischen, schwachen und starken Wechselwirkung, da es das Problem behebt dass
sich die Kopplungskonstanten der drei Kräfte im Standardmodell nicht in einem Punkt
treffen.
Außerdem lassen sich mit seiner Hilfe quadratische Divergenzen die im Standardmodell +
Higgs Mechanismus auftreten, abschwächen oder ganz eliminieren.
Des Weiteren bietet die supersymmetrische Theorie einen Ansatzpunkt wie die Gravitation in
das Standardmodell der Teilchenphysik eingebunden werden kann.
3. Das CMS Experiment
3.1 Genereller Aufbau
Der Compact Muon Solenoid (CMS) Detektor ist von innen nach außen wie folgt aufgebaut:
In der innersten Schale direkt um den Kollisionspunkt sind Pixeldetektoren angebracht
Um diese herum kommt eine Schale mit Streifendetektoren
Diese Detektoren sollen Spurmessungen des Teilchens und zusammen mit dem Magnetfeld
auch Impulsmessungen erlauben.
Es schließt sich ein elektromagnetisches Kalorimeter an das aus PbWO4 besteht.
Noch weiter außen kommt dann das hadronische Kalorimeter und die Driftkammern zur
Myonendetektion.
Das Magnetfeld ist mit 4 Tesla relativ stark um den Detektor nicht zu groß bauen zu müssen
und dennoch eine gute Impulsmessung der Myonen möglich ist.
Die Kalorimeter müssen zudem eine volle Winkelabdeckung gewährleisten, dass fehlende
transversale Energie gemessen werden kann.
Die Spurmessungen mit den genauen Pixeldetektoren sollen eine Identifizierung von
Sekundärvertizes erlauben.
3.2 Detektoren
Die Pixel und Streifendetektoren sind Silizium Halbleiterdetektoren. Sie arbeiten im Prinzip
wie eine in Sperrrichtung betriebene Diode. Durch eine angelegte Spannung wird die
Grenzschicht zwischen dem positiv dotierten Teil und dem negativ dotierten Teil wieder
ladungsneutral und es bildet sich ein elektrisches Feld aus. Wenn ein Teilchen in diesem
Bereich nun Elektron Loch Paare erzeugt, so werden sie im E-Feld zur Anode, bzw. Kathode
gezogen und erzeugen so eine Spannungsänderung die gemessen werden kann. Dadurch
erhält man den Ort an dem das Teilchen den Detektor passiert hat.
Bei den Pixeldetektoren erhält man so gleich zwei Koordinaten auf einmal da der Pixel nur
eine kleine Ausdehnung hat.
Bei den Streifendetektoren hat man das Problem dass sie in eine Richtung relativ lang sind
und daher in dieser keine genaue Ortsbestimmung erlauben. Man behilft sich damit, dass man
eine zweite Lage von Streifen unter einem gewissen Winkel zu der ersten Lage anbringt die
dann in Kombination wieder eine relativ gute Ortsauflösung ergeben (wenn auch nicht so gut
wie die für Pixeldetektoren).
Die Kalorimeter werden zur Bestimmung der Energie der Teilchen eingesetzt.
Beim Durchtritt von Strahlung durch Materie kommt es zu zahlreichen Wechselwirkungen,
die die Primärteilchen abbremsen. Für Elektronen und Photonen bildet sich ein
elektromagnetischer Schauer aus da die Elektronen durch Bremsstrahlung Photonen
emittieren und diese wiederum (sofern ihre Energie noch hoch genug ist) Elektron Positron
Paare erzeugen. Die Energie eines Elektrons nimmt dabei auf einer Strahlungslänge X0 um
einen Faktor 1/e ab. Die Strahlungslänge der verwendeten PbWO4 Kristalle beträgt weniger
als 1 cm was es ermöglicht den Detektor viele Strahlungslängen groß zu machen um eine
vollständige Absorption zu gewährleisten. Das verwendete Material PbWO4 hat außerdem
noch den Vorteil, dass es recht Strahlenhart ist was bei den hohen Ereignisraten von 1 ns-1
dringend nötig ist. Die Energie des Primärteilchens ist proportional zu der Intensität der
Fluoreszenzstrahlung die bei der Ausbildung eines Schauers entsteht. Diese wird mit Hilfe
von Photomultipliern gemessen.
Im hadronischen Kalorimeter bilden sich ebenfalls Schauer aus die diesmal allerdings aus
Teilchen bestehen die der starken Wechselwirkung unterliegen. Es werden verschiedene
Mesonen produziert was den Schauer ungleich komplexer macht wie im Fall des
elektromagnetischen Kalorimeters. Es erweist sich hier auch als besser das Schauer- und das
Nachweismedium zu trennen. So besteht das Kalorimeter aus sich abwechselnden Lagen von
5cm Kupfer und 5 mm Plastikszintillator in dem dann die Fluoreszenzstrahlung nachgewiesen
wird. Ein solches Kalorimeter nennt man Samplingkalorimeter.
Die äußerste Schicht bildet der Myonendetektor der aus vier aufeinanderfolgenden
Driftkammern besteht zwischen denen sich die return jokes für das Magnetfeld befinden.
Die Driftkammern sind mit einem Gasgemisch aus Ar-Co2 gefüllt und mit Kathoden und
Anodendrähten durchzogen. Beim Durchgang eines Teilchens wird das Gas ionisiert und die
Elektronen bewegen sich zu den Anodendrähten. Ihre Geschwindigkeit ist dabei im
wesentlichen konstant sodass man durch die Messung der Driftzeit die Ortsauflösung
verbessern kann. Da sich die Driftkammern auch noch im Magnetfeld befinden kann hier die
Impulsmessung verbessert werden.
3.3 Datenanalyse
Die Daten die vom Detektor produziert werden sind zu viele als dass man sie alle speichern
könnte. Es wird daher von einem Trigger eine Vorsortierung durchgeführt die die Datenrate
von 40 MHz bereits auf 100kHz senkt. Da dies immer noch zu viel ist um direkt auf
Speichermedien geschrieben zu werden werden weitere Zwischenstufen eingebaut die den
Datenfluss sukzessive reduzieren. Am Ende fallen immer noch riesige Mengen an Daten an.
In einem Jahr werden ca. 15 Petabyte erzeugt die vom Rechenzentrum des CERN gespeichert
werden müssen.