Die inneren Spurdetektoren des CMS

Der CMS-Detektor

Bei CMS handelt es sich um einen Vielzweck-Detektor, mit dem die unterschiedlichen Teilchen, die bei den Zusammenstößen der Protonen entstehen, besonders gut und umfassend vermessen werden können.

Dies ist der zweite Teil unseres CMS-Artikels. Zurück zum ersten Teil.

Diese Infografik zeigt die einzelnen Komponenten des CMS-Detektors, die schalenfömig um den Punkt des Teilchenzusammenstoßes angeordnet sind. Im Inneren befinden sich die Spurdetektoren, mit denen sich die Bahnen elektrisch geladener Teilchen bestimmen lassen. Diese sind von den elektromagnetischen und hadronischen Kalorimetern umgeben, welche die Energie von Teilchen vermessen. An diese Kalorimeter schließt sich die supraleitende Magnetspule an, die im ganzen Detektor für ein Magnetfeld sorgt, das elektrisch geladene Teilchen auf eine Kreisbahn zwingt. Ganz außen können in den Myonenkammern Myonen nachgewiesen werden. Die Infographik zeigt auch, in welchen Komponenten sich die unterschiedlichen Teilchensorten zu erkennen geben: Myonen durchwandern den ganzen Detektor. Elektronen zeigen sich in den Spurdetektoren und den elektromagnetischen Kalorimetern. Elektrisch geladene Hadronen geben sich in den Spurdetekoren und im hadronischen Kalorimeter zu erkennen. Elektrisch neutrale Hadronen sind hingegen nur in hadronischen Detektoren nachzuweisen. Photonen sorgen nur im elektromagnetischen Kalorimeter für Signale.
Querschnitt durch den CMS-Detektor

Neue Teilchen, die in CMS entstehen, werden normalerweise instabil sein und nach sehr kurzer Zeit in eine Kaskade von leichteren, langlebigeren und besser verstandenen Teilchen zerfallen. Diese Teilchen hinterlassen in den verschiedenen Bestandteilen des CMS-Detektors ein charakteristisches Muster, aus denen auf das Vorhandensein von neuen Teilchen geschlossen werden kann. So wird beispielsweise vermutet, dass sich die Higgs-Teilchen, nach denen CMS fahndet, durch vier Myonen zu erkennen geben.
Die Komponenten des CMS-Detektors sind in verschiedenen Lagen umeinander angeordnet. Im Inneren befinden sich sogenannte Spurdetektoren, mit denen die Position von geladenen Teilchen bestimmt werden kann. Daran schließen sich Kalorimeter zur Messung der Energie der Teilchen an. In der äußeren Schale befinden sich Myonkammern zum Nachweis von Myonen, schweren Varianten der Elektronen. Eingebettet ist alles in einem starken Magnetfeld, das die Bahn geladener Teilchen krümmt. Dies trennt die Teilchen räumlich und ermöglicht Rückschlüsse auf ihre elektrische Ladung und Energie.

Teilchenbahnen bestimmen: Spurdetektoren

Trommel, an deren Wand in einem regelmäßigen Muster rechteckige Siliziumdetektoren angebracht sind.
Der innere Spurdetektor von CMS

Im Inneren von CMS befinden sich so genannte Spurdetektoren aus Silizium, mit denen die Bahn von geladenen Teilchen genau bestimmt werden kann. Dabei kommen zwei verschiedene Spurdetektoren zum Einsatz: Ein Pixeldetektor, mit dem die Position von Teilchen mit einer Genauigkeit von 0,01 Millimetern bestimmt werden kann, und ein Streifendetektor, der eine Genauigkeit von 0,1 Millimetern ermöglicht (siehe Foto oben). Es ist wichtig, dass keine Teilchen dem Nachweis entwischen. Daher sind auch vorne und hinten Detektorkomponenten in den sogenannten Endkappen vorgesehen.

Energie messen: Kalorimeter

In den Kalorimetern von CMS wird die Energie der entstandenen Teilchen bestimmt. Wenn die Teilchen auf Materie treffen, entstehen neue energieärmere Teilchen und Licht. Deren Energie wird dann vermessen und zusammengezählt.
Bei CMS kommen zwei verschiedene Kalorimeter zum Einsatz:

Das Photo zeigt bläulich schimmernde durchsichtige Kristalle in einem Labor.
Kristalle für den CMS-Detektor

Im elektromagnetischen Kalorimeter messen etwa 80.000 Kristalle aus Bleiwolframat (siehe Bild oben) die Energie von Elektronen und Photonen mit hoher Präzision. Die Kristalle bremsen die Teilchen ab und lassen durch Lichtaussendung Rückschlüsse auf die Energie zu. Der Masse nach besteht Bleiwolframat zu 98 Prozent aus Metall, ist aber durchsichtig.

Daran schließt sich das hadronische Kalorimeter an. Dies dient der Bestimmung der Energie von Hadronen, zu denen Teilchen wie Protonen oder Neutronen zählen. Abwechselnd sind hier Lagen aus einem Material mit hoher Dichte (Messing oder Stahl) sowie aus Kunststoffen angeordnet, die Licht aussenden, wenn geladene Teilchen sie durchfliegen.

Teilchenbahnen krümmen: Magnetspule und Magnetjoch

Sechs Personen stehen einem großen grauen Zylinder, der von einer roten Stahlstruktur umgeben ist.
Herabkühlen der CMS-Spule

Die Kalorimeter sind von einer Magnetspule umgeben, durch deren Magnetfeld geladene Teilchen im Inneren auf eine gekrümmte Bahn gebracht werden. Über die Stärke der Krümmung kann das Verhältnis von Ladung und Impuls berechnet werden.

Der Magnet ist 13 Meter lang und hat einen Durchmesser von sechs Metern. Seine auf minus 270 Grad Celsius gekühlte supraleitende Spule aus Niob und Titan wird eine Feldstärke von bis zu vier Tesla erreichen, was dem rund 100.000-fachen des Erdmagnetfelds entspricht. Magnete dieses Typs tragen den Namen „Solenoid“ (was auch zum „S“ in der Abkürzung CMS führt). 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.
Um die Magnetspule herum, mit den Myonkammern verwoben, befindet sich das rote Magnetjoch. Dies besteht aus etwa derselben Menge Stahl, die auch für den Pariser Eiffelturm verbaut wurde. Die Aufgabe des Jochs ist es, die Magnetfeldlinien zu schließen und die Myonen auf ihrem Weg durch die Myonkammern abzulenken.

Myonen vermessen: Myonkammern

Um Myonen zu vermessen, ist der Magnet von CMS von so genannten Myonkammern umgeben. Der genaue Nachweis von Myonen ist für die Teilchenphysik von starkem Interesse, weil sich besonders spannende Prozesse durch Myonen zu erkennen geben. So wird beispielsweise der Zerfall eines Higgs-Teilchens in vier Myonen erwartet.

Die roten Kammern des CMS-Detektors dienen dem Nachweis von Myonen. Auf diesem Photo ist der CMS-Detekor in der oberirdischen Halle zu sehen, in der er zusammengebaut und getestet wurde, bevor er an seinen unterirdischen Bestimmungsort herabgelassen wurde. Der genaue Nachweis von Myonen ist für die Teilchenphysik von starkem Interesse, weil sich besonders spannende Prozesse durch Myonen zu erkennen geben. So wird beispielsweise der Zerfall eines Higgs-Teilchens in vier Myonen erwartet.
Myonkammern des CMS-Detektors

Die Myonkammern des CMS decken eine Fläche von insgesamt 18.000 Quadratmetern ab. Das entspricht mehr als zwei Fußballplätzen. Sie erreichen eine exzellente Ortsauflösung von 0,2 Millimetern. Der Schwerpunkt, der bei der Konstruktion des Myonsystems von CMS gelegt wurde, kommt auch im Namen des Detektors zum Ausdruck: CMS steht für „Compact Muon Solenoid“. Zum Nachweis der Myonen kommen gasgefüllte Kammern zum Einsatz. Die geladenen Myonen ionisieren das Gas in diesen Kammern und lösen so ein elektrisches Signal aus.

Daten speichern und auswerten

Im LHC können Protonen bis zu 40 Millionen Mal pro Sekunde aufeinander stoßen. Diese hohe Kollisionsfrequenz wurde gewählt, um die Wahrscheinlichkeit für die Erzeugung von Teilchen wie den Higgs-Teilchen möglichst hoch zu halten. Um die damit verbundenen gigantischen Datenraten in den Griff zu bekommen, muss blitzschnell entschieden werden, ob es sich bei den jeweiligen möglichen Kollisionen auch um spannende Ereignisse handelt. Dies erfolgt über die so genannten Trigger, welche in einem ersten Schritt Spreu von Weizen trennen. Trotz dieser Vorauswahl wird der CMS-Detektor 50.000 Terabyte Daten pro Jahr liefern.

Zur Datenauswertung wird auf ein weltweit verteiltes Computernetzwerk zurückgegriffen. Dabei kommen 100.000 Prozessoren, die zu einem sogenannten Grid zusammengeschaltet sind (siehe Artikel Das Grid für den LHC). Auf diese Weise haben Forscher auf der ganzen Welt Zugriff auf die Daten und können ihre Berechnungen ausführen, indem sie die Millionen gespeicherten Kollisionsaufzeichnungen durchforsten und statistisch auswerten.