El sistema de cámaras de muones

En las colisiones p-p de CMS se generarán muones, que servirán como signaturas para estudiar un amplio espectro de sucesos de física de altas energías. Entre los sucesos raros, que requieren altas luminosidades para ser observados, está el bosón de Higgs. El detector de muones [19] está planteado para poder reconstruir el momento y la carga de los muones. Este detector se fundamenta en tres objetivos básicos: la identificación de muones, su selección mediante el trigger y la evaluación precisa de sus momentos. Para alcanzar estos objetivos se requiere un alto campo magnético del solenoide superconductor y un adecuado flujo de retorno a través de los hierros.

En vista de los objetivos que este detector debe cumplir se ha diseñado con unas ciertas peculiaridades:

• El rango de pseudorapidez es de η <2.4, teniendo unas pérdidas mínimas en detección a causa de huecos y áreas muertas.

• La identificación de muones es posible gracias a los 16 λ de material que precede a las cámaras de muones en todo el rango de ángulos, donde λ es la longitud de interacción del material (apéndice A). De esta forma una traza puede ser detectada como candidato a muón con sólo penetrar en el detector.

• La resolución del momento transverso de los muones dentro del rango 0< η <2 es de

% 6 p /

p_{T T} ≈

Δ para p_T = 10 GeV; de Δp_T/p_T ≈7−20% para p_T = 100 GeV; y de

% 35 15 p / p_{T T} ≈ −

Δ para p_T = 1 TeV. La resolución a bajos p_T queda limitada por la difusión múltiple, mientras que a altos p_T lo está por la resolución de la cámara de muones.

• La compatibilidad en posiciones con el tracker para obtener una medida precisa del momento es menor que 1 mm para el plano de giro (bending plane) y de menos de 10 mm en el plano de no-giro (non-bending plane).

• La eficiencia en la reconstrucción de trazas es mayor del 99 %.

• Tanto las cámaras de muones precisas como los detectores rápidos que se utilizan en este sistema exigen un trigger para momentos transversos de entre unos pocos GeV hasta 100 GeV.

El sistema de cámaras de muones (Figura 17) está formado por un conjunto de detectores que van adosados externamente a los calorímetros. Consta de un barrel y de dos

endcaps (dispuestos a ambos lados del barrel). Los detectores que constituyen las cámaras de

muones son: cámaras de tubos de deriva (DT), cámaras de pistas catódicas (CSC) y cámaras de placas resistivas (RPC). Las DT´s se disponen en el barrel según cuatro niveles o estaciones, entre las cuales se intercalan seis estaciones de RPC´s. Las CSC´s se disponen en las zonas de los endcaps según otras cuatro estaciones que cubren un rango de 0.8< η <2.4, y entre las que se intercalan cuatro estaciones de RPC´s. El conjunto de RPC´s cubre un rango de η <2.1. Tanto en el barrel como en los endcaps van intercalados los hierros de retorno del campo que a su vez sirven de soporte a las cámaras.

La disposición de los distintos detectores en el esquema general fue definida en función de los fondos (backgrounds) que aparecerán en cada zona. Así, los fondos mayores se dan a altas η, en las regiones de los endcaps, ya que tienen su origen tanto en el tubo de haces de partículas de CMS como en el calorímetro de hadrones frontal, ambos sistemas situados cerca del eje de colisión.

En este sistema de cámaras existirá un campo magnético remanente. En el barrel estará descompuesto en parte axial (eje z) y parte radial (radio R sobre el plano xy desde el eje de colisión). La componente axial del campo será constante y pequeña (< 0.4 T), mientras que la radial alcanzará valores significativos en los endcaps y en la estación más interna del barrel (MB1) y además no permanecerá constante.

La estructura y distribución de los distintos detectores que componen el sistema de cámaras de muones está optimizada para lograr las mayores capacidades de trigger, ya que en este sistema existen zonas donde el fondo espúreo es notable. En lo que sigue se hará un análisis de cada uno de los detectores que componen este sistema.

Figura 17. Esquema de ¼ del sistema de cámaras de muones mostrando la disposición de los distintos detectores que lo componen: cámaras de tubos de deriva (DT), cámaras de pistas catódicas (CSC) y cámaras de placas resistivas (RPC). Estos detectores son sustentados por los hierros del retorno.

Las cámaras de tubos de deriva (DT)

Las cámaras de tubos de deriva van dispuestas en la zona del barrel (bajos campos magnéticos y bajas tasas de ocupación de partículas) y, según un esquema radial, consta de cuatro estaciones, o cámaras de muones (denominadas en orden hacia fuera MB1, MB2, MB3 y MB4). Cada una de las estaciones MB1, MB2 y MB3 se compone de 12 layers (o capas de tubos de deriva). Estos se distribuyen en grupos de cuatro layers denominados superlayers, dos de estos superlayers miden la coordenada φ (los que quedan radialmente más externos) y el restante la coordenada z. La estación MB4 sólo dispone de dos superlayers para medir φ. Según la coordenada azimutal φ existen doce niveles semejantes, salvo dos de ellos para el nivel de cámaras más externo, pues en este caso hay que cerrar la estructura cilíndrica con dos cámaras (según corte transversal). Para un esquema a lo largo del eje z existe cinco niveles de cámaras. Con ello se tiene que las cámaras del barrel son en total 4 x 12 x 5 + 2 x 5 = 250 cámaras, donde las dos cámaras añadidas se extienden sobre los cinco niveles del eje z (2 x 5). La resolución espacial de cada cámara es de 100 μm en el plano Rφ (plano trasversal), y de 150 μm en z (eje axial).

Cada layer está constituido por unidades de detección básicas denominadas tubos de deriva (Figuras 18 y 19) con dimensiones tranversales de 42 mm x 13 mm (se suele llamar celda al corte transversal de un tubo de deriva), que disponen de un hilo longitudinal central de 50 μm de diámetro que opera como ánodo y con una longitud entre 2 y 4 m, según el tamaño de la cámara. Como cátodos se disponen a lo largo del tubo cuatro tiras (dos de

electrode strip y dos de cathode strip ó I-beams), una en cada cara de la celda. Los tres tipos

de electrodos se somenten a los potenciales que se detallan en la Figura 18, lo que teniendo en cuenta el campo magnético a que se halla sometidada, da lugar a las líneas de campo representadas. La diferenciación en dos estructuras de cátodos con diferentes potenciales

permite corregir, en cierta medida, los efectos del campo magnético sobre la deriva de los electrones en el tubo. Los tubos de deriva se rellenan con una mezcla de Ar-CO2 en

proporción 85:15. Cuando una partícula pasa por un tubo empieza a ionizar el gas liberando electrones que siguen las líneas de campo hasta el ánodo. Si el campo que se aplica es fuerte y el hueco entre el ánodo y los cátodos es pequeño los electrones ya arrancados vuelven a arrancar nuevos electrones del gas siguiendo un proceso de avalancha que resulta en una señal de una cierta intensidad en el ánodo.

Los superlayers que miden φ tienen los hilos anódicos paralelos al eje de los haces de colisión, mientras que los que miden z los tienen perpendiculares. En su conjunto el sistema de cámaras de muones es redundante pues los muones atraviesan más celdas de detección que las que son necesarias para reconstruir su trayectoria.

Figuras 18 y 19. Esquema de un tubo de deriva mostrando las cuatro tiras de cátodos (electrodes strips y cathode strips o I-beams) y el hilo central que opera como ánodo. La configuración de las líneas de campo eléctrico, así como su deformación por el campo magnético, se detalla en la figura. Un detalle del ensamblaje de los tubos se da a la derecha: entre la viga y la tapa de aluminio que forma el cathode strip existe una tapa aislante de mylar [20].

Las cámaras de pistas catódicas (CSC)

El objetivo de las cámaras de pistas catódicas es detectar y reconstruir trazas en las cámaras del endcap (donde el campo magnético es muy intenso e inhomogéneo y la tasa de ocupación de partículas es alta) y medir el momento transverso p_T, la pseudorapidez η y el ángulo azimutal φ de cada muón. Aunque estos son los mismos objetivos que deben darse en los tubos de deriva, el procedimiento que se emplea para alcanzarlos es diferente, pues los algoritmos del trigger para la localización de la traza en las CSC son de tipo 3-D.

Estas cámaras están dispuestas en cuatro discos para cada endcap (eje z). Cada disco está estructurado en dos anillos de disco (para los tres discos más externos del endcap) y en tres (para el disco más interno del endcap), como se puede apreciar en las Figuras 17 y 20.

Las cámaras de pistas catódicas son cámaras proporcionales multihilo de forma trapezoidal (Figura 21) que están definidas por una hilera de hilos anódicos, dispuestos de forma azimutal, y una hilera de tiras o pistas catódicas, perpendiculares a los ánodos, y dispuestas de forma radial respecto de la línea de los haces. Esta disposición es la que permite obtener información según dos coordenadas, de forma que los hilos anódicos definen la coordenada radial, mientras que las pistas catódicas la φ. Cada cámara tiene seis capas o

3600 V

1800 V

layers de hilos y tiras, para hacerla redundante. El tamaño de la cámara es de 3.4 m de largo y 1.5 m de ancho. En total, para los dos endcaps, hay 500 cámaras de pistas.

Cuando un muon atraviesa la cámara ioniza el gas que esta contiene (mezcla de Ar- CO2-CF4 en proporción 30: 50: 20). Los iones generados producen una señal eléctrica tanto en

los ánodos como en los cátodos. De forma que midiendo la carga inducida en cada cátodo (Figura 22) se consigue obtener la posición de ese muon dentro en un layer concreto de la cámara con una resolución de 100 μm. La precisión espacial de trigger es de 1-2 mm y el tiempo de respuesta de este proceso es bajo. Con esto y combinando la información procedente de las distintas cámaras se logra definir la trayectoria de la partícula [21]. Observando cómo se curva la trayectoria del muón en el campo magnético se puede definir su momento transverso. Como los hilos anódicos están conectados en grupos de entre 5 a 17, midiendo los grupos que dan señal para el muón, se pueden definir dos parámetros: a) el ángulo del muón con respecto a la dirección de los haces de colisión (respecto eje z), y que junto con el momento transverso permite definir el momento total, y b) desde qué interacción entre los haces de colisión procede el muón (hay entre 10 y 20 interacciones en cada cruce de haz, y estos cruces se producen cada 25 ns).

Figura 20. Esquema de las cámaras de pistas catódicas dispuestas en los endcaps, mostrando los distintos anillos de disco.

Figuras 21 y 22. A la izquierda esquema de una cámara de pistas catódicas (CSC), mostrando los front-end de amplificación de la señal para los ánodos y cátodos, así como la electrónica de trigger asociada. A la derecha detalle de una celda de CSC con avalancha de carga por muón.

Las cámaras de placas paralelas resistivas (RPC)

El objetivo de las cámaras de placas resistivas es servir de ayuda fundamental para el sistema trigger de selección de muones. Para ello, este detector combina una buena resolución espacial y temporal, esta última de aproximadamente 1 ns. Como se observa en la Figura 17 estas cámaras van dispuestas tanto en la zona del barrel como en los endcaps, con un total de 612 cámaras [22].

La cámara de placas paralelas resistivas (Figura 23) es un detector de tipo gaseoso que consiste en un contador de lámina paralela, donde cada electrodo está hecho de un material plástico (bakelita) de alta resistividad (2⋅1010 _{- 5⋅10}10 _{Ω⋅cm). Entre ambas placas de bakelita}

existe un hueco (gap) de 2 mm que se rellena con una mezcla de gases (C2H2F4 con iso-C4H10

en proporción 95.5: 4.5).

Este dispositivo opera aplicando un voltaje uniforme entre electrodos de ≈ 9 kV. Cuando una partícula libera electrones por ionización, estos liberan a su vez nuevos electrones en un proceso de emisión secundaria en avalancha. Finalmente la señal que se detecta es el fenómeno acumulativo de todas las avalanchas. Para conseguir una mayor eficiencia en estas cámaras se construyen con un diseño de doble gap, como se aprecia en la Figura 24.

Figuras 23 y 24. A la izquierda detalle del efecto de multiplicación electrónica en el gap de la placa RPC. A la derecha diseño en doble gap para las RPC´s.