A Genf mellett megépült Nagy Hadron Ütköztet® (Large Hadron Collider, LHC) a világ leg-nagyobb méret¶ és energiájú részecskegyorsítója, a CERN kutatóintézet gyorsítórendszerének legújabb tagja, és 50-175 méterrel a földfelszín alatt halad. Hossza 27 km, és a részecskék zárt pályán tartását szolgáló 1232 darab, egyenként több mint 27 tonnás szupravezet® dipólmág-nesb®l, valamint a gyorsítást megvalósító rádiófrekvenciás üregrezonátorokból áll. A nyaláb fókuszálása kollimátorokkal és 392 darab kvadrupólmágnessel történik.
A nyalábok az LHC-ben két külön nyalábcs®ben haladnak egymással szemben (másodper-cenként tizenegyezerszer), így lehet®ség van az azonos töltés¶ részecskék, ionok ütköztetésére.
Ezek a vákuumcsövek azonban ugyanabban a dipólmágnesben húzódnak, tehát a két ütköz®
részecske vagy ion egy töltés-egységre es® impulzusa azonos kell, hogy legyen. Az LHC szup-ravezet® dipólmágneseit 96 tonna folyékony hélium segítségével a világ legnagyobb hidegzikai rendszere tartja 1.9 K h®mérsékleten.
A jelenleg elért legnagyobb tömegközépponti ütközési energia protonok esetén 7 TeV (1.1 µJ), ólomionok esetén 574 TeV (92 µJ). Az LHC-ben az els® protonnyaláb 2008. szeptember 10-én haladt körbe, de szeptember 19-én egy súlyos baleset következtében több mint egy évre leállt. Az els® p+p ütközések 2009. november 23-án történtek, az injektornak megfelel® 900 GeV ütközési energián. Az energiát illet® világrekord, amelyet a Chicago melletti Fermilab intézet Tevatron gyorsítója tartott, 2009. december 8-án d®lt meg, amikor az els® ütközések létrejöttek
1.4 A CMS kísérlet 17 2.36 TeV energián. Végül a jelenlegi 7 TeV-es ütközési energiát az LHC 2010. március 30-án érte el. Az els® Pb+Pb ütközés 2010. november 8-án 10 óra 13 perckor történt, 2.76 TeV nukleonpáronkénti (összesen tehát 574 TeV) ütközési energián. Az LHC 2012-ben egy-két éves karbantartásra leáll majd, a tervezett 14 TeV ütközési energiát 2014 el®tt tehát nem fogja elérni az LHC dipólmágnesek csatlakozásainak m¶szaki állapota miatt.
A protonok és ionok nem folytonosan, hanem nyalábcsomagokba rendezve utaznak körbe a gyorsítóban. A csomagok száma 1 és 2808 között változhat egy-egy nyalábban. A minimális távolság ezek között 25 ns, azaz 7.5 méter. Az LHC tervezett luminozitása1034cm−2s−1. A 2001 augusztusában elért legnagyobb pillanatnyi luminozitás ennek majdnem egynegyede, mintegy 2.4 · 1033cm−2s−1 volt. A 2011. év végéig elérni tervezett integrált luminozitás p+p ütkö-zésekben 5 fb−1. A 2010. november-december id®szakban mintegy 60 millió Pb+Pb ütközés történt (ez kb. 8 µb−1 integrált luminozitást jelent), 1 és 220 Hz közötti ütközési frekvenciával, melyek felét adathordozóra rögzítettük. A 2011 novemberére ígért Pb+Pb luminozitás ennek tízszerese.
A CMS (Compact Muon Solenoid) nemzetközi együttm¶ködés kísérleti berendezései a Genf melletti CERN kutatóintézet LHC (Large Hadron Collider) gyorsítója mellett m¶ködnek. A CMS az emberi történelem egyik legnagyobb nemzetközi tudományos együttm¶ködése. Kö-rülbelül 3600 munkatárssal rendelkezik, közöttük 3000 kutató és mérnök szakemberrel, akik Európa, Ázsia, Észak- és Dél-Amerika, illetve Ausztrália és Óceánia 38 országának 183 inté-zetéb®l kerülnek ki. Magyarország három intézete, a budapesti MTA Részecske- és Magzikai Kutatóintézet, valamint a Debreceni Egyetem és a debreceni MTA Atommagkutató Intézet csatlakozott a CMS együttm¶ködéshez.
A CMS kísérlet általános célú detektorrendszer, rendkívül sokféle jelenség mérésére alkal-mas [113,114]. A CMS berendezést vázlatosan a 7. ábra mutatja. A kísérleti berendezés teljes hossza 22 m, átmér®je 15 m, tömege 14 ezer tonna. Ennek központi eleme a 6 méter bels®
átmér®j¶ szupravezet® elektromágnes (sötétszürke henger az ábrán), amely 3.8 T mágneses térer®sséget hoz létre. A mágneses térben foglal helyet a szilícium pixel és csík detektorrend-szer (legbels® világosszürke henger), a kristályokból álló elektromágneses kaloriméter (ECAL, zöld szín¶ henger) és a sárgaréz-szcintillátor anyagú hadronikus kaloriméter (HCAL, világos-barna szín¶ henger). A müonok detektálására a mágnes küls® acél vasmagjának (piros) rétegei között elhelyezett gáz-ionizációs detektorok (szürkésfehér elemek) szolgálnak. A hengeres alakú
"hordóban" és a berendezést lezáró két "végsapkában" elhelyezett detektorokon kívül a CMS kiterjedt kis szög¶ kaloriméter-rendszerrel is rendelkezik.
A CMS kísérletben jobbkezes koordináta-rendszert használunk, melynek középpontja a név-leges ütközési pontban van, az x tengely az LHC középpontja felé, az y tengely felfelé, a z tengely pedig az óramutató járásával ellentétes nyalábirányba mutat. Aθ polárszöget a pozitív z tengelyt®l, a φ azimutszöget azx-y síkban mérjük.
Az ECAL energiafelbontása 100 GeV fölötti energiájú nem konvertált fotonokra jobb mint
7. ábra. A CMS kísérlet vázlatos rajza.
0.5%. Az ólom-wolframát kristályok sugárzási hosszban kifejezve 25.8X0 vastagságúak a hordó részben, és 24.7X0 hosszúak a végsapkákban. A HCAL és ECAL kombinációjának energiafel-bontása jet-ek mérése esetén p+p ütközésekben ∆E/E ≈100 %/p
E[GeV]⊕5 % (az ⊕ szim-bólum a kvadratikus összeget jelöli). Az |η| < 1.74 intervallumban a HCAL cellák szélessége 0.087 egység pszeudorapiditásban és 0.087 radián azimutban (φ). Az |η| <1.48 tartományban az(η, φ)síkon a HCAL cellái pontosan az ECAL kristályok egy-egy5×5darabból álló csoportja mögött vannak az ütközési pontból nézve, melyeket együtt kaloriméter tornyoknak nevezünk.
Az |η| nagyobb értékei esetén a tornyok mérete növekszik, és kevesebb ECAL kristályt tartal-maznak. Minden toronyban az ECAL és HCAL által érzékelt energiaértékeket összeadva kapjuk a kaloriméter tornyok energiáit, melyeket aztán a jet-ek energiájának és irányának méréséhez használunk.
A müonokat az|η|<2.4tartományban detektáljuk, áthaladásukat különböz® síkokban érzé-kelve. Háromféle technológiát alkalmazunk: driftcsöveket (Drift Tube, DT), katódcsík-kamrákat (Cathode Strip Chamber, CSC), és ellenállás-sík kamrákat (Resistive Plate Chamber, RPC). A müonok a szilícium nyomkövet® rendszerben is rekonstruálhatók, és a kétféle detektorrendszer kombinációjával elérhet® impulzusfelbontás 1 TeV/calatti pT értékekre 1 és 5% között van. A müon detektorok közel egymillió elektronikus csatornával rendelkeznek.
A bels® nyomkövet® detektor méri a töltött részecskék pályáját az|η|<2.5tartományban.
Ez 1440 szilícium pixel modulból és 15148 szilícium csík modulból áll, és a szupravezet® szo-lenoid 3.8 T er®sség¶ mágneses terében helyezkedik el. A pixel detektor három henger alakú
1.4 A CMS kísérlet 19
8. ábra. A CMS kísérlet bels® pixel nyomkövet® detektorának vázlatos rajza.
hordó részb®l és végsapkákból áll, és összesen 66 millió, külön-külön kiolvasható pixelt tartal-maz, vázlatos rajza a 8. ábrán látható. A három henger alakú detektorréteg sugara (nyalábtól való távolsága) rendre 4, 7 és 10 cm. A nyomkövet® rendszerrel elérhet® impakt paraméter (ez a mennyiség a mért részecskepálya és az ütközési pont távolsága) felbontás ∼15µm, míg a pT 1.5%-os felbontással mérhet® 100 GeV/c transzverzális impulzusú töltött részecske esetén.
Az els® szint¶ (L1) trigger rendszer erre a célra gyártott processzorokból áll, amely a ka-loriméterek, a szcintillátorok és a müon detektorok információit használva kevesebb mint 1 µs id® alatt képes kiválogatni a legérdekesebb eseményeket. A magas szint¶ trigger (HLT) pro-cesszor farm pedig ezt a 100 kHz nagyságrend¶ frekvenciát, amellyel az L1 trigger jel érkezik, kb. 300 Hz-re csökkenti további válogatással, miel®tt az adatok tárolásra kerülnek. Ebben a lépésben már a szilícium nyomkövet® rendszer információi is rendelkezésre állnak az összes rekonstruált részecskepályával és az ütközési ponttal együtt a döntés meghozatalához.
Az egyik legfontosabb L1 trigger jelet a BPTX (Beam Position and Timing for eXperiments) detektor adja, amely a CMS detektortól ± 175 méter távolságra, annak két oldalán foglal he-lyet. Ez a detektor nagy fémelektródákkal rendelkezik, amelyek a nyaláb közelében vannak elhelyezve. Amikor az elektródák mellett a nyalábcsomag fénysebességgel elhalad, a tükörtöl-tések elvét követve egy bipoláris feszültségjel keletkezik rajtuk, amely megfelel® diszkrimináció után rendkívül pontosan (200 ps, azaz 6 fénycentiméter felbontással) jelzi a nyalábcsomagok
érkezési idejét, és ezzel az ütközési pont várható helyét a CMS detektor közepén. Ezeknek a detektoroknak az érzékelési hatásfoka meghaladja a 99.99%-ot, hacsak a nyalábcsomagok inten-zitása nem csökken egy adott alacsony küszöbérték alá. Ez azonban nem következik be, mivel az LHC gyorsítóból még az ilyen kis intenzitások elérése el®tt kiürítik a nyalábot. A CMS kísérlet ezt a triggert alkalmazza az ún. elfogultságmentes (zero bias) adatfelvételre, amikor az ütközés semmilyen feltételt nem kell hogy teljesítsen. Ez a triggerek hatásfokának mérésére alkalmas. A másik alkalmazási terület a zajos triggerek kapuzása, amikor az adott triggert csak a BPTX triggerrel egyidej¶leg fogadjuk el, hiszen az utóbbi hiányában p+p vagy Pb+Pb ütközés a CMS kísérletben nem történhetett.
A két hadronikus kis szög¶ kaloriméter (Hadronic Forward, HF) kiterjeszti a CMS detektor lefedettségét, elfoglalva a 3 < |η| < 5 szögtartományt, és amelyet a 7. ábrán világoskék állványon látható barna szín¶ hengerrel ábrázoltunk. Alapanyaga acél, amelybe kvarcszá-lakat ágyaztak, amelyek jól ellenállnak az LHC kísérleti programjával járó óriási sugárzási roncsolásnak. Az acél abszorbensben keletkez® részecskezápor töltött részecskéi áthaladnak a hosszirányban beágyazott kvarcszálakon, amelyekben Cserenkov-sugárzást keltenek. Ezeket a Cserenkov-fotonokat fotoelektron-sokszorozók gy¶jtik össze. A HF kaloriméterek egyenként 250 tonnásak, és 500 km kvarcszálat tartalmaznak. A HF alkalmazható többek között kis szögekben keletkez®, TeV energiatartományba es® jet-ek mérésére, de ugyanakkor átlagos p+p ütközések érzékelésére, eseményválogatásra, valamint Pb+Pb ütközések esetén az ütközés centralitásának, impakt paraméterének indirekt mérésére is. A HF kaloriméterek elkészítésében Magyarország is nagy szerepet vállalt, beleértve a tervezést és prototípus tesztelést is, amelyben magam is részt vettem [115].
A HF kaloriméterek bels®, ütközési pont felé néz® felületére vannak er®sítve a Nyaláb Szcin-tillációs Számlálók, amelyek a nyaláb min®ségének ellen®rzése mellett dönt® szerepet kaptak mind a p+p, mind a Pb+Pb ütközések kiválogatásánál, a trigger rendszerben. Err®l a detek-torról a 2.2. fejezetben részletesebben is szó lesz.
A nyalábhoz képesti nagyon kis szögtartományt a CASTOR (5.3 < −η < 6.6) és a ZDC (|η| > 8.3) kaloriméterekkel fedtük le. Ezek a kaloriméterek wolfram abszorbensbe ágyazott kvarcszálakat, illetve kvarc lapokat tartalmaznak. A TOTEM kísérlet által épített két további nyomkövet® rendszer is a nyalábhoz képest kis szögben található, a 3.1 < |η| < 4.7 és 5.5 <
|η|<6.6 tartományokban. Jelenleg ezek a TOTEM detektorok nincsenek a CMS adatkiolvasó rendszerébe integrálva, hanem külön kísérletet képeznek.
Összesen kb. 108 elektronikus csatorna kiolvasása történik meg minden eseményben.
A CMS kísérlet sokkal részletesebb leírását a [116] publikációban találhatjuk meg.