Der CMS-Detektor

Der 12500 Tonnen schwere CMS-Detektor ermöglicht die bei Proton-Proton-Kollisionen entstehenden Teilchen nachzuweisen und genau zu vermessen. Durch die Rekonstruktion der Kollisionsereignisse bei Schwerpunktsenergien bis 14 TeV kann nach so genannter "Neuer Physik" gesucht werden, die das bisher unvollständige Standardmodell der Teilchenphysik erweitern könnte.

Der abgebildete Querschnitt durch den CMS-Detektor zeigt schematisch, wie im Kollisionspunkt im Zentrum entstehende Teilchen in den verschiedenen Lagen des Detektorsystems identifiziert und ihre Energien bestimmt werden können.

Herz des CMS-Experiments ist eine supraleitende Magnetspule mit einer Feldstärke von 4 Tesla (blauer Ring) der zusammen mit dem rot eingezeichneten Magneteisen dafür sorgt, dass die Bahn geladener Teilchen gekrümmt wird. Im Bild wird dies am Beispiel der Spur eines Myons (das sind gut bekannte Elementarteilchen, die als Komponente der kosmischen Höhenstrahlung unsere Körper dauernd durchfliegen) veranschaulicht. Die Flugbahn des Myons wird mit präzisen Spurdetektoren verfolgt, mit Silizium-Detektoren (hellbraun) im Inneren von CMS, mit gasgefüllten Myonkammern im Außenbereich (hellgrau). Aus der Bahnkrümmung kann man die Teilchenenergie, eine wesentliche Größe bei der Rekonstruktion der Proton-Proton-Wechselwirkung, berechnen. Einige Teilchen wie Elektronen werden im Kalorimeter (siehe Abbildung) absorbiert und geben dabei Licht ab, das zur Energiemessung dient. Das CMS-Kalorimeter besteht u.a. aus 80000 Bleiwolframat-Kristallen, die eine besonders hohe Messgenauigkeit erlauben.

Um auch sehr seltene neue Teilchen aufspüren zu können, treffen die Protonstrahlen 40 Millionen mal pro Sekunde zusammen, und das über einen Zeitraum von mehreren Jahren. Entsprechend hoch ist die Informationsmenge, die der CMS-Detektor verarbeiten muss; selbst nach elektronischer Vorauswahl müssen pro Sekunde soviel Bytes abgespeichert werden, wie auf eine CD passen. Um aus den vielen - meist unspektakulär verlaufenden - Kollisionsereignissen die interessanten herauszufischen (etwa solche mit einem Higgs), benötigt man weltweit mehr als 10000 Computer.

Die deutschen CMS-Forschergruppen haben wesentliche Beiträge zu Entwicklung und Konstruktion der Spurdetektoren (Silizium-Streifendetektoren und gasgefüllte Driftkammern) geleistet. Der Silizium-Streifendektor ist mit einer aktiven Fläche von 210 m² der mit Abstand größte Detektor seiner Art. Er besteht aus feinen, im Abstand von typisch 0.05 mm angeordneten Siliziumstreifen. Er kann Spurpunkte durchfliegender Teilchen mit einer absoluten Genauigkeit von 0.02 mm (weniger als Haardicke!) rekonstruieren. Das Photo zeigt einen fertiggestellten Teil des Siliziumdetektors in einem Labor der RWTH Aachen vor dem Transport zum CERN.

Die Myon-Driftkammern müssen eine Fläche von insgesamt 18000 m² abdecken, das entpricht zwei bis drei Fußballplätzen. Myonen ionisieren das Gas in den Kammern und lösen so ein elektrisches Signal aus. Hier wird eine Ortsauflösung von 0.2 mm erreicht. In der Abbildung sieht man 10 aluminiumfarbene Myonkammern nach der Installation im roten CMS-Magneteisen.