El experimento CMS - Divulgación CIEMAT
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En 100 palabras...
CMS (“Solenoide Compacto de Muones”) es uno de los grandes detectores/experimentos instalados en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en las instalaciones del CERN, en Ginebra. Es un enorme aparato de 15m de alto por 21m de largo en cuyo interior se registran las colisiones de protones que, viajando a velocidades cercanas a la de la luz, se cruzan en su interior 40 millones de veces por segundo. El objetivo de CMS es descubrir nuevas partículas y conocer en detalle cómo funcionan las partículas que componen nuestro mundo subatómico. Parte de CMS se construyó en el CIEMAT.
¿Qué tiene que ver con el CIEMAT?
El grupo de Física de Altas Energías del CIEMAT se unió a la colaboración en las primeras etapas de desarrollo del experimento, y desde entonces hemos seguido involucrado en numerosos subproyectos. En particular, el grupo asumió un papel destacado en el diseño y montaje del detector central de muones, en particular en la producción de su componente fundamental, las cámaras de tubos de deriva (las "cajitas" plateadas rectangulares rodeadas del hierro rojo en la foto inferior), su electrónica de lectura y el sistema de alineación de estas cámaras con respecto al detector de trazas interno. Casi el 30 % de las cámaras de los tubos de deriva del espectrómetro de muones se construyeron en Madrid.
El grupo también participa en el desarrollo de software de simulación y reconstrucción, así como en la producción de eventos de Montecarlo.
El grupo CIEMAT CMS tiene una fuerte participación en numerosos temas relacionados con el análisis de datos del LHC, entre ellos el estudio de las interacciones electrodébiles, el quark top, el bosón de Higgs y la búsqueda de física más allá del Modelo Estándar (Supersimetría, leptones excitados y muchos otros análisis exóticos). .
Por último, pero no menos importante, el grupo está actualmente involucrado en el estudio y diseño de componentes adicionales para el detector DT que serán necesarios en el futuro para el funcionamiento de CMS en un régimen de luminosidad más alto. En particular, se está rediseñando la electrónica local de lectura y disparo. Nuestro grupo tiene un papel protagonista en esta operación de mejora.
A fondo
(Fuente: RAFASITH) CMS es uno de los 4 grandes Detectores o experimentos que se encuentran en el LHC (Gran Colisionador de Hadrones) del CERN. CMS es algo más pequeño que ATLAS (el otro gran experimento multipropósito de LHC), pero a cambio es mucho más masivo y compacto (de ahí lo de COMPACT Muon Solenoid). Los números de CMS son colosales: CMS se asemeja a una cebolla (cilíndrica) en el sentido de que se compone de una serie de capas que son formadas por detectores de diversas tecnologías. Cada una de esas capas (detectores) está especializada en una función específica. Las capas rodean al tubo por donde circulan los protones y envuelven el punto de colisión de los haces de partículas. Cuando dos protones colisionan (esto también tendré que explicarlo porque eso de colisionar tiene miga) se generan nuevas partículas que atraviesan las distintas capas interaccionando con ellas de modo que se puede obtener medidas de su energía, carga y velocidad (momento). Uno de los componentes principales de todo detector es el imán y su geometría. El imán de CMS es un solenoide (cilindro) de 13 metros de largo y 6 metros de diámetro. Conjuntamente con la estructura de acero (los anillos de color rojo en el esquema de Sketchup) que cierra el campo magnético tiene un peso de 12.500 Toneladas. Está refrigerado a -270ºC. A esa temperatura la aleación de Niobio-Titanio en la que está fabricado se comporta como un superconductor (es decir, no ofrece resistencia al paso de la corriente eléctrica) De este modo es posible que una corriente de 20.000 amperios que lo atraviesa genere un campo magnético de casi 4 Teslas (100.000 veces mayor que el terrestre). El campo magnético generado almacena una energía equivalente a la energía cinética de un Airbus A320 en vuelo. El propósito de estos grandes campos magnéticos es el de curvar las trayectorias de las partículas emergentes tras la colisión de los protones, de modo que se puedan separarse sus trayectorias (una partícula cargada en un campo magnético curva su trayectoria) y de este modo medir sus momentos (producto de masa por velocidad) con precisión. El Tracker es un conjunto de capas que se sitúan alrededor del punto de colisión y paralelas al tubo por donde circulan los haces de protones. Se compone de unos 17.000 sensores de silicio extremadamente finos que se distribuyen en varias capas y distintas orientaciones con el objeto de reconstruir la trayectoria de las partículas que los atraviesan. En la siguiente figura se aprecia cómo se distribuyen esos elementos desde el PIXEL (primer elemento) hasta los elementos más externos (TOB y TEC) El eje horizontal (z) representa el eje del tubo del colisionador. El eje vertical (r) representa la distancia desde el tubo del colisionador. Esa figura es la que he empleado para realizar el modelo tridimensional que atraviesan las partículas. Cuando una partícula cargada atraviesa el Tracker, va dejando «su huella» por algunos elementos. Cada sensor se encuentra numerado de modo que es posible obtener la trayectoria tridimensional de cada partícula para luego reconstruir el evento registrado Es la primera capa que se encuentran las partículas. Consiste en tres capas cilíndricas ubicadas a 4.4, 7.3 y 10.2 cm del punto de colisión. Genera las coordenadas tridimensionales de la interacción de las partículas cargadas originadas en el punto de interacción con una precisión de entre 10 µm (eje z) y 40 µm (eje r). (1 metro = 1.000.000 µm) PIXEL se compone de 1440 módulos de Silicio que ocupan una superficie equivalente de 1 m2 . TIB se compone de 4 capas concéntricas de detectores. Las dos más externas están compuestas de detectores en una cara; las dos internas se forman por detectores en ambas caras. En total 1956 módulos. TID es como las «tapas» de TIB para cerrar la región con detectores y de este modo no se deje escapar ninguna partícula sin dejar una traza. Cada «tapa» está compuesta de 3 discos. Los dos discos interiores se componen de 144 módulos. El más exterior está compuesto de 240 módulos de silicio. TOB es un cilindro de 2.2 m de longitud y 2.3 m de diámetro realizado en fibra de carbono. Sirve de soporte a los módulos de silicio. Los 4128 módulos de silicio que lo componen se posicionan en 6 capas concéntricas. TEC es la última capa del Tracker. Al igual que TID es «como» las tapas de TIB, TEC es la tapa de TOB (Quédate con esta frase que luego te la preguntaré). TEC está formado por 9 discos y cada uno de ellos se compone de módulos de silicio en anillos concéntricos. Los cerca de 17000 sensores de Silicio ubicados en los módulos descritos permiten la reconstrucción de la trayectoria de las partículas cargadas y la determinación del momento ( Momento = masa * velocidad). También miden la posición en la que se desintegran partículas de vida «relativamente larga» originadas en la colisión. Sí. He dicho vida larga porque no todas las colisiones producen las mismas partículas. Por ejemplo, el tan famoso bosón de Higgs que se produce en contadas ocasiones tiene una vida tan corta que, incluso moviéndose a la velocidad de la luz, no llega ni a la primera capa de los detectores de CMS. Y eso que la primera capa de PIXEL se encuentra a 4.4 cm del lugar donde se origina. Los sensores se construyen con filamentos de Silicio más finos que un cabello humano (20 µm de diámetro) y cada sensor tiene un espesor medio de 300 µm. Todos los módulos del Tracker, en conjunto, equivalen a una superficie similar a un campo de tenis. Resumiendo, TRACKER es como una cámara fotográfica de 66 Megapixels en la que cada uno de sus pixels tiene un tamaño de 150 x 100 µm. Eso permite diferenciar trayectorias de partículas que estén muy cercanas. En este sistema, los fotones y electrones que entran depositan toda su energía en forma de cascada de partículas a medida que penetran en el material que forma ECAL. ECAL se compone de unos «cristales» muy especiales. Son cristales de tungstenato de Plomo (PbWO4). Aunque el 86% del peso del cristal proviene del Plomo, el medio es completamente transparente. El cristal tiene un tamaño de 2.2 x 2.2 x 23 cm y pesa casi 1 Kg. Hay 75.848 de estos cristales en el calorímetro. La fabricación de estos cristales es una de las principales aportaciones de Rusia al LHC. El principio físico de funcionamiento es sencillo. Cuando un electrón o fotón de alta energía atraviesa el cristal y colisiona con uno de los núcleos pesados (Hay para elegir: Plomo y Wolframio) genera una cascada de electrones y fotones que excitan el resto de átomos del cristal. Cuando un átomo se excita lo que ocurre es que un electrón pasa a niveles de energía superiores. Esos electrones vuelven rápidamente al estado fundamental y emiten fotones de color azul. Son esos fotones «azules» los que detecta el fotodetector ubicado en la base (puedes verlo en la imagen superior). Y cuantos más detecte, mayor era la energía de la partícula incidente. Como su nombre indica HCAL mide la energía de los hadrones (protones, neutrones, piones, kaones, etc.). En este sistema todos los productos originados en las colisiones se detienen (se absorben). Salvo dos: los muones y los neutrinos. HCAL está compuesto de capas alternas de material denso (latón o acero) intercaladas con centelleadores plásticos o de fibra de vidrio. El principio físico en el que se basa HCAL es el mismo que el de ECAL, Pero en esta caso los hadrones generan la cascada de partículas en las capas densas. Esas partículas centellean en las capas menos densas (teselas) y la luz azul-violeta producida es recogida por fibras ópticas en los extremos de cada una de las teselas. En esas fibras ópticas, la luz se desplaza a la zona verde del espectro y es recogida por fotodetectores. De igual modo que en ECAL, la luz detectada es proporcional a la energía de las partículas incidentes. El sistema de muones completa el detector CMS. Y es un elemento fundamental. Parafraseando a Oscar Wilde: «La importancia de llamarse (o ser) un muón». La detección de un muón de alto momento es un claro indicio de que ha ocurrido un proceso interesante, Como los muones son las únicas partículas capaces de atravesar los calorímetros y el solenoide, al detectar trazas en las cámaras de muones nos garantizan un proceso «limpio», interesante y de un análisis más sencillo que el resto. El sistema de muones se compone de una parte central cilíndrica y dos tapas laterales móviles (para poder acceder al interior de CMS cuando se realizan tareas de mantenimiento). La parte central consta de 250 cámaras de tubos de deriva. Un muón al atravesar estos tubos, arranca electrones del gas que hay en su interior. Los electrones son atraídos hacia hilos cargados positivamente. Midiendo el tiempo que un electrón tarda en llegar al ánodo se puede saber el punto donde el muón atravesó la cámara. Las tapas laterales constan de 540 cámaras de Tiras catódicas. Estas cámaras contienen una matriz de hilos cargados positivamente sobre tiras catódicas que son perpendiculares a los hilos. El movimiento de los electrones (que provienen de átomos excitados por los muones) hacia los hilos y la carga inducida en las tiras proporcionan la posición del punto por donde pasó el muón. Una característica inusual del detector CMS es que en lugar de construirse in situ como los otros detectores gigantes de los experimentos del LHC, se construyó en 15 secciones a nivel del suelo antes de descenderlo a una caverna subterránea cerca de Cessy en Francia y volver a ensamblarlo. El detector completo tiene 21 metros de largo, 15 metros de ancho y 15 metros de alto. El programa de física de CMS es muy extenso. Desde estudios del todelo Estándar (incluyendo el bosón de Higgs, descubierto en CMS) a búsquedas de nueva física, dimensiones extra y partículas que puedan formar la materia materia oscura. 
Solenoide Superconductor
Sistema detector de trazas (Tracker).
PIXEL
TIB (Tracker Inner Barrel)
TID (Tracker Inner Disks)
TOB (Tracker Outer Barrel)
TEC (Tracker End Caps)
Funcionamiento Tracker
ECAL. Calorímetro electromagnético.
HCAL. Calorímetro hadrónico.
Sistema de muones.
Física
El experimento CMS es una de las colaboraciones científicas internacionales más grandes de la historia, en la que participan alrededor de 5500 físicos de partículas, ingenieros, técnicos, estudiantes y personal de apoyo de 241 institutos en 54 países (mayo de 2022). Para obtener la información más reciente, consulta aquí.