El Experimento CMS en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN.

CMS es uno de los 4 grandes Detectores (Experimentos, según la nomenclatura oficial) que se encuentran en el LHC (Gran Colisionador de Hadrones) del CERN.

En la entrada anterior os conté nuestra visita a LHCb en Diciembre de 2014.

En el mes de Enero de 2015 Daniel, el joven físico que fue nuestro acompañante durante la visita a LHCb y que estaba haciendo el doctorado en el CERN, se puso en contacto conmigo para avisarme de que había unas plazas libres en uno de los grupos que iba a bajar a la caverna del CMS (Compact Muon Solenoid) a finales de mes.

No había pasado un mes desde que habíamos estado allí. Pero, claro, una oportunidad así no puede despreciarse. Además, en el mes de Febrero, se volvían a cerrar las visitas hasta la siguiente parada técnica en 2017.

Así que, mi amigo Nicolás y yo, volvimos a ir al CERN para visitar CMS. Un viaje relámpago de una noche en Ginebra que nos daría tiempo para disfrutar de una auténtica fondue de queso suizo…

Antes de contaros la visita, al igual que hice con LHCb, voy a describiros el monstruo que es CMS.

CMS es algo más pequeño que ATLAS (el otro gran experimento multipropósito de LHC), Pero eso es una baza a favor de CMS, por que ATLAS es tan grande que no puedes apreciar su tamaño en la caverna. CMS es más compacto (de ahí lo de COMPACT Muon Solenoid). Y todo el mundo dice que es más espectacular su visión. En el momento de escribir estas líneas no puedo compararlo con ATLAS (pero eso pronto va a cambiar) y sí puedo deciros que ver CMS es un espectáculo.

Para no perder las costumbres he preparado un modelo 3D  a escala real del Experimento. Como siempre, lo he hecho con Google Sketchup.

Link_Sketchup

Pinchando en la imagen accedes a un visualizador de Sketchup que permite acercarte y cambiar el punto de vista.

Yo te recomiendo que te instales la aplicación y te descargues el objeto, pues cada elemento del experimento está en una capa distinta y puedes ir ocultando capas hasta llegar al centro donde se encuentran los trackers. Justo donde se produce la colisión de los protones.

Para descargar el objeto pulsa en esta imagen de una sección de CMS. Podrás obtener separar la visualización de cada subsistema y  recrearte con la geometría del objeto.

seccion

Para pasamos a la descripción del experimento…

¿Por qué CMS?

Los números de CMS son colosales:

  • Peso: 14.000 Toneladas
  • Diámetro: 15 metros
  • Longitud: 28.7 metros
  • Campo Magnético: 3.8 Teslas

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.

Hay dos principales geometrías para los imanes:

  • Solenoide (cilíndrica).
  • Toroidal (rosquilla o donut).

Ya habrás imaginado cuál utiliza CMS (S por Solenoide).

Solenoide Superconductor

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).

solenoid
Solenoide (imán) de CMS.

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.

Sistema Trazador (Tracker).

El Tracker es un conjunto de capas que se sitúan inmediatamente sobre el 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)

Captura

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

Tracker de CMS. Detalle del modelo Sketchup
Todos los subsistemas del Tracker de CMS. Detalle del modelo Sketchup

PIXEL

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 .

Tracker PIXEL
Esquema de PIXEL original
Pixel
Mi modelo de PIXEL en Sketchup.

TIB (Tracker Inner Barrel)

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.

0610025_02-a5-at-72-dpi
Tracker Inner Barrel (TIB) durante su montaje en CMS.
TIB
Mi modelo de TIB en Sketchup.

TID (Tracker Inner Disks)

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.

TIB
Tracker Inner Discs (TID) durante su montaje en CMS.
Tracker
Mi modelo de TID en Sketchup.

TOB (Tracker Outer Barrel)

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.

TOB
Tracker Outer Barrel (TOB) durante su montaje en  CMS.
TOB
Mi modelo de TOB en Sketchup.

TEC (Tracker End Caps)

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.

tec-rotating
Tracker End Caps (TEC) durante su fabricación.
TEC
Mi modelo de TEC en Sketchup.

Funcionamiento Tracker

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.

ECAL. Calorímetro electromagnético.

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.

Tuve la oportunidad de tener en las manos uno de estos cristales. Pero no fue en el CERN.

Ni te imaginas dónde. En una tienda que se encuentra en la Calle Serrano de Madrid. En la tienda de moda de Adolfo Domínguez.

chiquito

Sí. En Adolfo Dominguez, Bueno, en su Fundación. En Noviembre de 2012 organizó una charla sobre el Bosón de Higgs. Celso Martínez Rivero trajo consigo a la conferencia uno de estos cristales y pudimos tenerlo entre las manos.

uk20ral20-20vpt20and20crystal

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.

Os recuerdo que 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.

HCAL. Calorímetro hadrónico.

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.

Sistema de muones.

El sistema de muones completa el detector CMS. Y es un elemento fundamental.

Muon

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.

DT

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.

CASTOR. Centauro And Strange Object Research.

Este elemento es una “extrañeza” en CMS. Se encuentra ubicado fuera del armazón de CMS.

De hecho se llama también “calorímetro lejano”.

CASTOR es un detector de cuarzo y tungsteno cuyo propósito es estudiar las colisiones de protones e iones que producen grandes cantidades de bariones en el eje longitudinal  del haz.

Se encuentra a 14.8 metros de la zona de colisión y tiene una geometría bastante curiosa

castor

Y mi propia visión del mismo

castor2

El detector captura la radiación Cerenkov (fotones) producida por las partículas cargadas que viajan a velocidades supralumínicas al atravesar las placas de cuarzo y tungsteno. Recuerda que una partícula puede viajar a velocidad superior a la luz en un medio material pero nunca a velocidad superior a la luz en el vacío.

Los elementos de CASTOR son cavidades que se sitúan a 45º respecto al eje y en su interior actúan como espejos para que los fotones se encaminen a los fotodetectores situados el final de cada “pluma”.

En este experimento se esperan encontrar strangelets, centauros (¡no son los seres mitológicos caballos con torso de hombre!), y diversos tipos de materia exótica.

Un experimento poco conocido pero en la frontera de la física. Ojalá dé alguna sorpresa…

Bajando a la caverna

Tras esta rápida introducción a las tecnologías de CMS vamos a ver la visita.

Hacía frío… mucho frío.

IMG_9473
Entrada al Edificio en superficie que nos llevará a la caverna del CMS.

Ya dentro de la nave nos encontramos con una imagen a tamaño natural de CMS.

img_9423.jpg
Póster de CMS en la nave de acceso.

Una reliquia de LEP (Large electron-positron Collider)

IMG_9426
Una pieza casi Steampunk: Una cavidad de radiofrecuencia utilizada para acelerar los electrones y positrones en el antiguo LEP.
IMG_9427
Un clásico en toda exposición que se precie. Maqueta del CMS.
IMG_9430
Sección del tubo del LHC. Merece entrada aparte en el BLOG (pronto).

 

El pase de diapositivas requiere JavaScript.

CMS
Mosaico de fotos de CMS.
IMG_9450b
Delante de CMS con mi amigo Nicolás.
IMG_9466
Al ver este cartel de peligro me acordé del Dr. Manhattan de Watchmen.

Y para l@s que tengan ganas de perder un rato os dejo un vídeo de la visita.

IMG_9469
Registro de auditoría de la visita 🙂

En resumen, una visita muy interesante aunque nuestro guía tenía un acento alemán que nos dificultó entenderle..

SuperCMS
¿Se encontrará la Supersimetría?

Se me olvidaba…

¿Recuerdas que te dije que te acordaras de una frase?

Elige la respuesta correcta a la pregunta ¿Qué parte del Tracker actúa de tapa de TIB?

  1. TOB
  2. TEC
  3. TID
  4. Pero ¿qué dices?

 

Un comentario sobre “El Experimento CMS en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN.

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Salir /  Cambiar )

Google photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google. Salir /  Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Salir /  Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Salir /  Cambiar )

Conectando a %s