ניסוי CMS

גלאי הCMS הנמצא בCERN

ניסוי CMS (ראשי תיבות: Compact Muon Solenoid) הוא אחד ממספר גלאים המשולבים במאיץ החלקיקים הגדול ה-LHC במרכז לחקר פיזיקת חלקיקים CERN, הנמצא בגבול שווייץ-צרפת. מיקומו של הניסוי במאיץ החלקיקים נמצא במקום בו מתרחשות האינטראקציות בין החלקיקים בתנועתם במאיץ LHC.

תיאור הניסוי

מטרת הניסוי היא לחקור שאלות העומדות בבסיס פיזיקת חלקיקים ולהבין את המבנה הבסיסי ביותר של אבני החומר, הכוללים בין היתר את גילוי בוזון ההיגס (הידוע בשמו הפופולרי "החלקיק האלוהי"), ממדים נוספים, ומציאת חלקיקים העשויים להיות חלקיקי חומר אפל.

גלאי CMS, שצורתו כגליל, נמצא בעומק של כ-100 מטרים מתחת לפני הקרקע והוא כולל מגנט סילונואיד (על שמו נקרא הגלאי) והוא המגנט העצמתי והגדול ביותר שנבנה. קוטרו 6 מטרים, ואורכו 13 מטרים. הוא מקורר לטמפרטורה של 268.5 מעלות צלזיוס מתחת לאפס (או 4.65 מעלות קלווין). הוא חם יותר במעלה אחת מן הטמפרטורה השוררת בחלל החיצון. משקלו של הגלאי כולו בניסוי הוא בקירוב 14,000 טונות, והוא מהווה את הניסוי הכי כבד במאיץ החלקיקים. קוטרו כ-15 מטרים, ואורכו 21.5 מטרים. השדה המגנטי שהמגנט יוצר הוא 4 טסלה. זהו שדה מגנטי שעוצמתו גדולה מאוד, רק לשם השוואה ערכו גדול בחמישה סדרי גודל מהשדה המגנטי של כדור-הארץ.

מטרתו העיקרית של המגנט הוא מדידת התנע של חלקיקים טעונים, על ידי כך שמסלול תנועתם בשדה מגנטי מתעקם בעקבות הכוח המגנטי הפועל על ידי שדה זה. בעזרת כיוון תנועת החלקיק הטעון ניתן לדעת את סימן המטען החשמלי ואת התנע של החלקיק.

לניסוי CMS ולניסוי ATLAS (ניסוי נוסף לאורך מאיץ החלקיקים הגדול LHC ב- CERN) מטרות דומות, אמנם דרכי פעולתם שונות, זאת על מנת לאמת את תוצאותיהם אחד על ידי השני.

הגלאי הופעל לראשונה ב-10 בספטמבר 2008, והגילוי המרכזי שלו עד היום הוא, יחד עם ניסוי ATLAS, הוא בוזון ההיגס.

בניסוי זה עובדים כ- 3,800 אנשים מ-43 מדינות החברות בארגון המחקר של CERN, עמלו על הקמתו ועמלים על תחזוקתו.

השכבות בגלאי CMS

דגם המראה את פנים הגלאי הCMS הנמצא בCERN

גלאי CMS הוא גלאי המורכב ממספר שכבות, שמטרתן לאפשר לזהות חלקיקים שונים שיעברו דרכו. השכבות השונות מאפשרות לזהות ולמדוד באופן מדויק ביותר את התנע והאנרגיה של החלקיקים הנוצרים בנקודת התנגשות במאיץ LHC.

Tracker- השכבה הפנימית ביותר

שכבה זו נועדה לתעד את הנתיבים שעשו החלקיקים בעלי מטען חשמלי על ידי מציאת מיקומם במספר נקודות מפתח.

השכבה בנויה מגלאי קטן (pixel detector) במרכז ועשר שכבות של גלאי פסי סיליקון שמגיעות לרדיוס של 130 סנטימטר העוטפות אותו. הפיקסלים בשכבה הפנימית של ה- tracker קטנים יותר על מנת לאפשר רזולוציה גבוהה בקרבת נקודת האינטראקציה, היכן שכמות החלקיקים ליחידת נפח צפויה להיות גדולה יותר.

שכבה זו היא שכבת הסיליקון הגדולה ביותר בהיסטוריה העשויה ממעל 220 מטר רבוע של סיליקון.

הקלורימטר האלקטרומגנטי

בשכבה זו ניתן למדוד את האנרגיה של חלקיקים בעלי אינטראקציה עם השדה האלקטרומגנטי, כגון פוטונים ואלקטרונים.

שכבה זו מורכבת מסינטילטורים גבישיים, שעשויים בעיקר מעופרת טונגסטט (PbWO4). הגביש עשוי ברובו ממתכת אבל במגע עם חמצן בצורה הגבישית שלו הוא הופך לחומר שקוף ונוצץ שאלקטרונים ופרוטונים יכולים לעבור דרכו, מה שאומר שהגביש מפיק אור בהתאם לאנרגיה של החלקיק. גבישים כאלו - בעלי צפיפות גבוהה,  מפיקים אור בפרצי פוטונים מהירים, קצרים ומאוד מוגדרים, שהופכים את הגלאי למדויק, מהיר ובגודל יחסית קטן.

חיישני אור שעוצבו במיוחד כדי לעבוד בשדות מגנטים גבוהים מודבקים לגב של כל אחד מהקריסטלים כדי לזהות את נצנוץ האור ולהפוך אותו לאות אלקטרומגנטי שמוגבר ונשלח לניתוח.

הקלורימטר שמורכב מקטע "גלילי" ושני "endcaps" יוצר שכבה בין ה"גשש" לקלורימטר ההדרוני. הגליל מכיל 61,200 קריסטלים שמובנים בתוך 36 מבני על  ("super modules") שכל אחד מהם שוקל 3 טונות ומכיל 1700 קריסטלים.

הקלורימטר ההדרוני

בשכבה זו ניתן למדוד את האנרגיה של הדרונים (חלקיקים תת-אטומיים המורכבים מקווארקים וגלואונים), מדידות לא ישירות בדבר קיום של חלקיקים שלא מבצעים אינטראקציה (לא מגיבים) ולא טעונים כמו נייטרונים- מדידת חלקיקים אלו חשובה לנו כי זה יכול להגיד לנו אם חלקיקים חדשים כמו חלקיק ההיגס או חלקיקי סופר סימטריה (שהם גרסאות יותר כבדות של החלקיקים שאנו מכירים) נוצרו.

כשחלקיקים אלו דועכים הם יכולים להפיק חלקיקים חדשים שלא משאירים שום זכר לקיומם בכל חלקי גלאי ה-CMS . כדי לזהות אותם הקלורימטר ההדרוני חייב להיות אזור סגור הרמטית שתופס את כל החלקיקים שנוצרו מההתנגשות. כך אנחנו בעצם יכולים לדעת שאם חלקיק נורה מצד אחד של הגלאי אבל לא יוצא מהצד השני עם תנע ואנרגיה שקולים אנו יכולים להסיק שהופקו חלקיקים בלתי נראים (כמו נויטרינו).

דגם המראה את שכבות גלאי הCMS הנמצא בCERN

כדי לוודא שרואים משהו חדש ולא פשוט מפספסים חלקיקים שכבר הוכרו, השכבות בקלורימטר ההדרוני בנויות ומסודרות לסירוגין כך שלא יהיו רווחים בקווים ישרים שביניהם עלולים לברוח חלקיקים.

הקלורימטר ההדרוני  הוא קלורימטר מדגמי שבעצם מוצא מיקום, אנרגיה, וזמן הגעה של חלקיק בעזרת שכבות שבנויות לסירוגין של חומר סופג ושל פלואורסצנט סינטילטורי (סינטילטור= חומר הפולט הבזקי אור כשפוגעת בו קרינה רדיואקטיבית) שמפיקים אור מהיר וקצר כשהחלקיקים עוברים דרכו. סיבים אופטיים מיוחדים אוספים את האור ומזינים אותו לתוך תיבות היצג נתונים איפה שחיישני האור מגבירים את האות. כשכל כמות האור באזור נתון נאספת בהרבה שכבות של "אריחים" שנקראים מגדל (tower), כל כמות האור הזו היא מידת האנרגיה של החלקיק.

גלאי מיואונים

תפקיד החלק הזה במאיץ הוא לזהות מיואונים ולמדוד את המסלול והתנע שלהם.

המיואונים יכולים לחדור דרך מטרים של ברזל מבלי להגיב ולכן הם לא נעצרים על ידי אף אחד מהקלורימטרים, לא כמו שאר החלקיקים. ולכן בקצה של CMS יש תאים שמזהים מיואונים (מאחר שהם ככל הנראה החלקיקים היחידים שישאירו סימן שהיו שם).

החלקיק נמדד על ידי התאמת עקומה לפגיעות בין ארבע תחנות מיואונים שיושבות מחוץ לסליל המגנטי ומשולבות עם שלדת תמיכה מברזל. על ידי מעקב של המיקום דרך השכבות הרבות של כל תחנה בצירוף עם המדידות של הגלאי, הגלאי יכול למצוא במדויק את המסלול של החלקיק. זה נותן לנו את התנע של אותו חלקיק מפני שאנחנו יודעים שחלקיק בעל יותר תנע מתעקם פחות בשדה מגנטי ולכן המגנט של ה-CMS  מאוד חזק- כדי שנוכל לעקם את המסלולים של מיואונים בעלי אנרגיה גבוהה ולחשב את התנע שלהם.

בסך הכל יש 1400 גלאי מיואונים מסוגים שונים שיכולים לגלות את המיקום ולמדוד את רגע המעבר של חלקיקים טעונים שעוברים דרכם : 250 צינורות סחיפה (drift tubes) ו-560 cathode strip chambers שעוקבים אחרי המיקום של החלקיק ומספקים גורם להתחלת התגובה, בעוד ש-610 resistive plate chambers שמהווים מערכת גירוי עודפת שמחליטה במהירות אם לשמור את המידע שהושג על המיואון או לא. בזכות השכבות הרבות של הגלאי והמומחיות הרבה של כל סוג שכבה המערכת היא חסונה ומסוגלת לסנן רעשי רקע.

הישגים

1998- הבנייה של גלאי CMS החלה

10 בספטמבר 2008- הגלאי CMS הופעל לראשונה, קרן ראשונה עוברת דרכו

23 בנובמבר 2009- אינטראקציה בין חלקיקית ראשונה בCMS

7 בנובמבר 2010- התנגשות בין אטומי עופרת טעונים

4 ביולי 2012- פרויקט CMS ו-ATLAS גילו חלקיק חדש הדומה לערכים הצפויים מבוזון היגס.

מטרות פיזיקליות

תמונה של CMS

• מדוע היקום בנוי בצורתו כפי שהוא היום?
•  מדוע יש שוני במסת חלקיקים אלנטריים שונים?
• ממה מורכב החומר האפל ביקום?
•  האם קיימים עוד מספר ממדים ביקום?
•  מהי התנהגותו הפיזיקאלית של חומר לוהט ודחוס?
•  האם ישנה תאוריה המאחדת תחתה את כל התאוריות הידועות לנו כיום?

עיבוד מידע

המחשבים שמעבדים את המידע בLHC הנמצא בCERN

בכל שנייה של התנגשויות בין שתי אלומות פרוטונים במאיץ החלקיקים LHC ישנן כ- 40 מיליארד אינטראקציות בין הפרוטונים. את כל המידע הזה יש לסנן על מנת שהחוקרים יוכלו לזהות חלקיקים או תופעות חדשות. כל האירועים מסוננים על ידי "מערכת טריגר" הבוחרת את האירועים התואמים לפרופיל שהזינו החוקרים (לדוגמה, אחת מטביעת האצבע של היווצרות בוזון ההיגס היא פליטה של שני מיואונים ושני אלקטרונים).

כל האירועים המסוננים מועברים לחוות מחשבים בכל רחבי העולם, שם הם נחקרים ומנותחים  על ידי מדענים רבים. כל המחשבים הללו מחוברים על ידי "רשת המחשבים העולמית של ה-LHC ". הרשת הזו מורכבת מכ-170 מרכזי מחשבים ב-42 מדינות שונות.

בניית הגלאי

בניית הגלאי החלה בשנת 1998 על יד כפר בשם ססי (Cessy) אשר בצרפת. בעת החפירות נתגלתה וילה רומית, בה נמצאו כדים, אריחים ומטבעות. כל חלקי הגלאי נבנו באתרים חיצוניים, הורדו לעומק 100 מטרים והורכבו מתחת לפני השטח. החלק הכבד והגדול, במשקל 200 טונות, הורד במשך 12 שעות. בנייתו נמשכה כמעט 10 שנים, כאשר בתאריך 10 בספטמבר 2010 הופעל הגלאי לראשונה.

שמו של הגלאי, CMS, הם ראשי תיבות באנגלית Compact Muon Solenoid. הגלאי נקרא קומפקטי, מכיוון שיחסית למשקלו העצום ולמגוון הפונקציות שהוא מסוגל לבצע, הוא די קטן בממדיו הפיזיים ביחס לגלאי ATLAS. סילונואיד זהו המגנט שבו מבצעים שימוש בגלאי, והגלאי מסוגל לגלות מיואונים.

מערכות קירור הגלאי

מיכל ההליום באתר הCMS הנמצא בCERN

כדי לשמור על יעילות פעולת הגלאי יש לקרר את מרכיביו לטמפרטורות נמוכות מאוד 268.5 מעלות צלזיוס מתחת לאפס. לשם כך נבנה מפעל קירור בעומק של 90 מטר מתחת לפני השטח, אשר בנייתו הושלמה בשנת  2005. החומר המועבר בתוך הצינורות הללו הוא הליום נוזלי, המובל בצורת מחזור קלוד, והוא מסוגל לספק טמפרטורה של 4.45 קלווין ב-800 וולט. המפעל מורכב משלוש יחידות עיקריות: הראשונה - יחידת הדחיסה, בה נדחס ההליום למצב נוזלי עד לקירורו, "הקופסה הקרה" בה נשמר ההליום עד שעובר בצינורות, ולבסוף הצינורות עצמם בתוך הגלאי אשר מובלים מקופסת הקירור  אל תוך אזור הגלאי, תוך כדי שהם מלפפים את המגנט.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא ניסוי CMS בוויקישיתוף