Le Camere a Muoni

Rivelatori collocati all’esterno del magnete, dove solo i muoni possono giungere e interagire

Come suggerisce il nome “Compact Muon Solenoid“, la rivelazione dei muoni è uno dei compiti più importanti dell’esperimento. I muoni sono particelle cariche come l’elettrone e il positrone, solo che pesano 200 volte di più. Vengono prodotti nei decadimenti di molte potenziali nuove particelle; per esempio una delle topologie più evidenti del bosone di Higgs è il suo decadimento in 4 muoni.

Siccome i muoni possono penetrare parecchi metri di ferro senza interagire, al contrario della maggior parte delle particelle i muoni non sono “fermati” da nessuno dei calorimetri di CMS. I rivelatori di muoni sono quindi collocati all’esterno del magnete, dove solo i muoni sono in grado di giungere e lasciare un segnale.

Il rivelatore di muoni è suddiviso in quattro “stazioni” a distanza crescente dal punto di interazione. Ogni stazione è composta da svariate camere individuali. Ogni camera è a sua volta costituita di vari strati indipendenti. Un muone viene misurato dalla traccia curva formata dall’interpolazione dei segnali nelle quattro stazioni di camere. Unendo la posizione misurata dalle camere a muoni con la posizione misurata dal tracciatore centrale si ricava con grande precisione la traiettoria di un muone. Dalla curvatura della traiettoria nel campo magnetico possiamo misurare l’impulso del muone. Il magnete di CMS è talmente potente da poter deviare anche muoni di alta energia e da permettere di misurarne l’impulso.

In totale ci sono 1544 camere a muoni:

250 camere a deriva “Drift Tubes” (DT);
540 camere proporzionali con catodo segmentato in strips “Cathode Strip Chambers” (CSC) tracciano le particelle che le attraversano e forniscono un segnale di trigger;
610 camere resistive “Resistive Plate Chambers” (RPC) formano un sistema di trigger ridondante, che permette di decidere rapidamente se accettare o meno un muone.
144 camere a ionizzazione “Gas Electron Multiplier” (GEM) forniscono ulteriori informazioni per la ricostruzione della traccia dei muoni.

Siccome il rivelatore di muoni è composto da molti strati di sottorivelatori di tipi diversi, il sistema è particolarmente robusto ed in grado di filtrare il rumore di fondo.

Le DT e le RPC sono disposte su cilindri concentrici attorno alla direzione del fascio (regione “barrel”) mentre le GEM, le CSC e le RPC formano i dischi di chiusura “endcap” della regione barrel.

Drift Tube

Il sistema di camere a deriva (“Drift Tube”, DT) misura le posizioni dei muoni nella parte barrel del rivelatore. Ogni camera, larga 4 cm, contiene un filo anodico posto ad una tensione elettrica positiva dentro un volume di gas. Quando un muone attraversa il volume della camera ionizza gli atomi del gas rimuovendo gli elettroni più esterni. Questi elettroni seguono il campo elettrico e vengono collezionati sul filo anodico. Registrando la posizione dove gli elettroni colpiscono il filo (nella figura i fili vanno verso l’interno della pagina) e calcolando la distanza del muone dal filo stesso (mostrato dalla distanza orizzontale percorsa ed ottenuto moltiplicando la velocità dell’elettrone nella camera per il tempo trascorso) le DT forniscono due coordinate della posizione del muone. Ogni camera DT, di dimensioni medie di 2m x 2.5m, consiste di 12 strati di alluminio, disposti in 3 gruppi (superlayer) di quattro strati, ognuno formato di circa 60 tubi a deriva. Il gruppo centrale misura la coordinata lungo la direzione parallela al fascio mentre gli altri due gruppi misurano la coordinata perpendicolare al fascio.

Disegno schematico di uno dei 3 superlayer che fanno parte di una camera a deriva DT. Ogni superlayer è composto di 4 strati (layers) di tubi a deriva, che nella figura sono disposti perpendicolarmente alla pagina. Nella figura i punti rossi indicano i fili anodici, al centro di ogni tubo, diretti verso l’interno della pagina, mentre le frecce blu mostrano la direzione di deriva degli elettroni prodotti dal passaggio di un muone. La traccia del muone, mostrata dalla linea rossa, viene ricostruita dalle posizioni misurate nei 4 strati di tubi a deriva.

Resistive Plate Chamber

Le Resistive Plate Chambers (RPC) sono rivelatori a gas a rapida risposta che forniscono un sistema di trigger parallelo a quello fornito dalle DT e dalle CSC. Le RPC sono formate da due lastre parallele, un anodo carico positivamente ed un catodo negativo, entrambe fatte di un materiale plastico ad alta resistività e separate da un volume di gas.

Quando un muone attraversa la camera, elettroni sono estratti dagli atomi del gas. Questi elettroni a loro volta urtano altri atomi provocando una valanga di elettroni. Gli elettrodi sono trasparenti al segnale (gli elettroni) che viene raccolto da strip metalliche dopo un piccolo intervallo di tempo. La topologia delle strip colpite fornisce una rapida misura dell’impulso del muone, che è poi usata dal sistema di trigger per fornire una rapida decisione se registrare o meno i dati raccolti. Le RPC combinano una buona risoluzione spaziale ad una ottima risoluzione temporale di appena un nanosecondo (un miliardesimo di secondo).

Cathode Strip Chamber

Le Cathode Strip Chambers (CSC) sono usate nei dischi endcap dove il campo magnetico non è uniforme e la frequenza di particelle cariche è alta.

Le CSC consistono di strati di fili anodici carichi positivamente alternati a lastre catodiche di rame segmentate in strips a potenziale negativo dentro un volume di gas. Quando muoni attraversano questi rivelatori rimuovono gli elettroni più e

sterni degli atomi del gas ionizzandoli. Questi elettroni si muovono, per effetto del campo elettrico, ve

rso i fili anodici, dove si crea una “valanga” di elettroni. Gli ioni positivi invece si muovono verso il catodo di rame, inducendo un impulso di carica sulle strip. Siccome le strip ed i fili sono disposti perpendicolarmente gli uni agli altri si ottengono due coordinate della posizione di ogni particella che attraversa il rivelatore.

In aggiunta a fornire un’informazione di precisione sullo spazio ed il tempo, le CSC con i loro fili finemente spaziati permettono di fornire un rapido trigger. Ogni CSC è formata da sei strati in modo da poter misurare con accuratezza i muoni e poter correlare le loro tracce con le tracce rivelate dal tracciatore centrale.

Gas Electron Multiplier

Elemento fondamentale di una camera GEM è il foglio GEM. Questo è costituito da un sottile strato di materiale resistivo (di spessore 50 μm), ricoperto di materiale conduttore su entrambe le facce (in genere rame, di spessore 5 μm) e perforato chimicamente (con passo di 140 μm), immerso in un volume di gas. Applicando una piccola differenza di potenziale tra gli strati di rame (400-500 V), si genera nei fori un intenso campo elettrico (60 – 100 kV/cm). I muoni, attraversando il gas, producono elettroni che giunti in prossimità del foglio GEM acquistano energia sufficiente per produrre particelle secondarie dando il via al processo a valanga. Una camera GEM, nota come triple-GEM, è composta da tre fogli di questo tipo, posti in successione (come mostrato in figura) che garantiscono un fattore di amplificazione di circa 10^4. Durante il secondo lungo stop di LHC (2019-2021), sono state installate 72 super-camere GEM (ottenute accoppiando 2 triple-GEM) negli endcaps, 36 per lato. CMS installerà nei dischi ulteriori camere GEM in previsione della fase di alta luminosità di LHC.

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