Das CMS-Experiment Größe: 21.5 m x 15 m, Gewicht: t Investitionen: 350 Mio. Mitglieder: 2250 aus 38 Ländern

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1 T.Hebbeker Das CMS-Experiment Größe: 21.5 m x 15 m, Gewicht: t Investitionen: 350 Mio. Mitglieder: 2250 aus 38 Ländern

2 Deutsche Gruppen Beiträge zum Detektorbau Silizium-Spurdetektor Myon-Detektor I. Physikalisches Institut B der RWTH Aachen (Prof. L. Feld, Prof. S. Schael), seit 1994: Silizium-Spurdetektor, Alignment-System III. Physikalisches Institut A der RWTH Aachen (Prof. M. Erdmann, Prof. T. Hebbeker), seit 1994: Myon-Detektoren III. Physikalisches Institut B der RWTH Aachen (Prof. A. Stahl), seit 1994: Silizium-Spurdetektor, Elektronik für Tests DESY Hamburg (Prof J. Mnich), seit 2006: Trigger Institut für Experimentalphysik der Universität Hamburg (Prof. R. Klanner, Prof. P. Schleper), seit 2003: Silizium-Spurdetektor Institut für Experimentelle Kernphysik der Universität Karlsruhe (Prof. W. de Boer, Prof. M. Feindt, Prof. T. Müller, Prof. G. Quast), seit 1996: Silizium-Spurdetektor, Detektorkontrollsystem Arbeitsgruppen an 6 Instituten: 50 Wissenschaftler 40 Doktoranden 50 Ingenieure und Techniker Deutscher Beitrag zum Bau von CMS: ca 14 Mio. Baukosten + ca 3 Mio. weitere Mittel

3 Die Physik Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN eröffnet eine neue Epoche in der Elementarteilchenphysik. Mit einer Schwerpunktsenergie von 14 TeV überbietet dieser Proton-Proton-Beschleuniger alle bisher gebauten Beschleuniger. Deshalb kann man in bisher unzugängliche Teilchenmassen-Bereiche vorstoßen und u.a. folgende fundamentale Fragen beantworten: Gibt es das vorhergesagte Higgs-Boson, das für die Entstehung aller Teilchenmassen verantwortlich ist? Existieren neue Teilchen, z.b. Supersymmetrische Partner der bekannten Elementarteilchen? Kann die `dunkle Materie des Universums aus solchen SUSY-Teilchen bestehen? Die deutschen CMS-Physiker arbeiten intensiv an der Vorbereitung der Datenanalyse, um vielleicht schon im Jahr 2008 eine erste Entdeckung machen zu können. Die jetzigen Arbeiten umfassen sowohl den Aufbau einer adäquaten Computing-Infrastruktur (s.u.) als auch detaillierte Simulations-Studien, z.b. zur Identifizierung und Vermessung von SUSY-Teilchen. Der CMS-Detektor Der CMS-Detektor (Compact Muon Solenoid) kann die in einer Proton-Proton- Kollision entstehenden Teilchen identifizieren und deren Energie präzise messen, mit Hilfe folgender Komponenten: Ein supraleitender Solenoidmagnet mit einer Feldstärke von 4 T sorgt dafür, dass die Bahn geladener Teilchen gekrümmt wird. Spurdetektoren, Silizium-Detektoren im Inneren von CMS, gasgefüllte Myon- Driftkammern im Außenbereich, vermessen dann diese Spuren sehr genau. Aus der so bestimmbaren Bahnkrümmung kann man die Teilchenenergie, eine wesentliche Größe bei der Rekonstruktion der Proton-Proton-Wechselwirkung, berechnen. Einige Teilchen wie Photonen werden im `Kalorimeter absorbiert und geben dabei Licht ab, das zur Energiemessung dient. Das CMS-Kalorimeter besteht u.a. aus Bleiwolframat-Kristallen, die eine besonders gute Energieauflösung erreichen. Die wichtigsten Komponenten des CMS-Detektors konnten 2006 mit kosmischen Myonen erfolgreich getestet werden.

4 Deutsche Beiträge zum CMS-Experiment Die fünf deutschen Universitätsgruppen haben wesentliche Beiträge zur Entwicklung und Konstruktion der Spurdetektoren (Silizium-Streifendetektoren und gasgefüllte Driftkammern) geleistet. Der Silizium-Streifendetektor ist mit einer aktiven Fläche von 210 qm der mit Abstand größte Detektor seiner Art. Er besteht aus feinen, im Abstand von typisch 0.05 mm angeordneten Siliziumstreifen. Insgesamt werden Silizium- Einzelmodule mit je mehreren hundert Streifen eingesetzt. Eine besondere Herausforderung beim Bau besteht darin, trotz dessen Größe Spurpunkte mit einer absoluten Genauigkeit von 0.02 mm zu rekonstruieren. Die deutschen Gruppen haben insgesamt ca 15% des Silizium-Spurdetektors finanziert und aufgebaut. Die Myon-Driftkammern vermessen Myon-Teilchen im äußeren Bereich von CMS und müssen eine Fläche von insgesamt qm abdecken. Myonen ionisieren das Gas in den Kammern und lösen so ein elektrisches Signal aus. Hier wird eine Ortsauflösung von 0.2 mm erreicht. Der deutsche Beitrag liegt bei 25%. Beide Spurdetektoren zusammen ermöglichen die Energiemessung hochenergetischer Myonen (Graphik) mit einer relativen Genauigkeit von wenigen Prozent oder besser. Bau und umfangreiche Tests beider Detektorenkomponenten wurden in den beteiligten Universitätslabors erfolgreich abgeschlossen, und im Jahr 2007 wird der Einbau in den CMS-Detektor am CERN abgeschlossen werden.

5 I. Physikalisches Institut B der RWTH Für den Siliziumdetektor wurde die Tragestruktur der Endkappen entwickelt und eine Endkappe (Bild) vollständig mit den Detektoren ausgerüstet. Ferner wurden für 300 Silizium-Großmodule die Rahmen und andere Komponenten gebaut. Zur genauen Verifizierung der Positionierung der Siliziummodule wurde ein Laser- Alignmentsystem entwickelt und realisiert. III.Physikalisches Institut B der RWTH Es wurde ein Testsystem entwickelt (Bild), das weltweit für die Qualifikation aller Silizium- Einzelmodule eingesetzt wurde. Aus Einzelmodulen wurden Großmodule zusammengesetzt und getestet. Reparaturverfahren für fehlerhafte Siliziummodule wurden entwickelt und erfolgreich eingesetzt. Institut für Experimentalphysik der Universität Hamburg Die Arbeiten konzentrierten sich auf den Bau von Silizium-Einzelmodulen und der Integration dieser in Großmodule (Bild) sowie den Anschluss von optischen Fasern für die Datenübertragung. Ferner wird an einer Alignment-Software geforscht, das winzige Verschiebungen im Siliziumdetektor erkennen soll. Institut für experimentelle Kernphysik, Universität Karlsruhe Die Funktion von insgesamt 8000 Halbleiter-Sensoren wurde vermessen (Bild) und die Silizium-Sensoren wurden auf Strahlenhärte überprüft. Ferner sind 102 Großmodule gebaut worden. Auch die Detektor-

6 Überwachungssoftware sowie Diamant-Strahlmonitore wurden in Karlsruhe erstellt. III. Physikalisches Institut A der RWTH 75 Myonkammern aus je 12 Einzellagen, mit einer Gesamt-Detektorfläche von 4000 qm, wurden entwickelt, gebaut und getestet. Etwa 2/3 wurden bis Ende 2006 in das CMS-Magneteisen eingebaut (Bild) und die Funktion mit kosmischen Myonen verifiziert. DESY Schwerpunkte der CMS-Forschung am DESY bilden Software-Arbeiten für den High-Level-Trigger, der aus 200 Prozessoren besteht, und das Offline- Computing, s.u. Aufgrund der großen Beiträge zum Detektorbau sind deutsche Physiker auf wichtige Positionen im CMS-Management berufen worden; Beispiele sind: die Vorsitzenden der Leitungsgremien der Tracker- und der Myongruppe sowie Koordinatoren im Computing und in der Physikanalyse. Computing und Datenanalyse Zur Erkennung interessanter Kollisionsereignisse (von denen pro Sekunde viele Millionen erzeugt werden) und zur Speicherung und Analyse der riesigen Datenmengen (1 GByte / Sek) werden einige weltweit vernetzte Computer benötigt. In Deutschland dient diesem Zweck u.a. ein großes GRID-Computer- Zentrum (`Tier-1 ) in Karlsruhe, GRIDKA, sowie `Tier-2 -Rechencluster in Aachen und am DESY. Beteiligung deutscher Industrie Viele CMS-Aufträge sind an deutsche Unternehmen gegangen, im Gesamtumfang von etwa 17 Millionen. Zu nennen sind vor allem die Deggendorfer Werft, die das t schwere Eisenjoch des Magneten geliefert hat (15 Millionen ) sowie High-Tec- Komponenten, die für den Siliziumspurdetektor (Kohlenstofffaser-Tragestrukturen, Alignmentsystem) und das Driftkammersystem (Hochspannungsplatinen, Klebedosiermaschine) benötigt wurden.