CMS 檢測器的內部部分。圖片來源：托木斯克理工大學
緊湊型μ子電磁閥(CMS)是大型強子對撞機(LHC)的大型通用粒子探測器之一，背景輻射監測系統和碰撞光束參數已更改。光束狀態監測器泄漏 (BCML) 系統是保護 CMS 獨立單元和單元電子設備免受關鍵輻射損壞所需的系統中最重要的部分之一。對于 BCML 系統，托木斯克理工大學的科學家們安裝了八個新的金剛石傳感器，這是它的主要部分。計劃新傳感器將運行三到五年，直到下一次探測器更新。BCML 系統的無縫運行將使科學家們能夠在基本層面獲得關于物質結構的新數據。
如今，LHC 是世界上最大、最強大的帶電粒子加速器。強子束是一類粒子，包括質子，它們會加速和碰撞。在大型強子對撞機上，來自世界各地的科學家研究此類碰撞會發生什么。
光束碰撞點周圍設置了大型探測器。CMS 是四個主要檢測器之一。CMS 直徑 16 m，長 25 m。它是一個大型通用粒子物理探測器，旨在研究和驗證基本粒子標準模型的預測，包括希格斯玻色子的特性，以及搜索標準模型之外的物理、附加測量和暗物質。
托木斯克理工大學（TPU）高能物理研究學院的科學家和工程師與來自歐洲核子研究組織(CERN)、德國電子同步加速器中心(DESY)、普林斯頓大學(美國)、坎特伯雷大學(新西蘭)的同事一起) 和其他組織參與了 CMS 光束輻射儀器和亮度 (BRIL) 項目。TPU 科學家負責開發、更新和維護用于慢速監測質子碰撞和重核以及緊急束流損失的系統。
這個 BCML 系統允許科學家改變來自質子碰撞的背景輻射，分析與單個粒子的隨機偏差相關的短時間內背景輻射的變化，并記錄長期變化。這些變化可能與光束運動的偏差或例如光束傳輸通道中的真空損失有關。在嚴重偏差的情況下，光束必須停止，即強制丟失。否則，長期暴露在以巨大能量運動的光束下會導致探測器和對撞機復雜且昂貴的系統發生不可逆轉的損壞。每個緊急情況或錯誤的光束丟失都是必須調查的真實事件。
TPU 科學家使用的 BCML 系統是復雜且多組件的。該系統最重要的部分是位于檢測器中心靠近質子碰撞點的一組金剛石傳感器。金剛石是抗輻射能力最強的材料，但即使是這種材料，也會因為超高的輻射劑量而逐漸失去性能，不得不進行更換。
金剛石傳感器是最高質量的合成金剛石板，上面鍍有鉻和金的金屬觸點。板狀晶體被焊接到特殊的板上，這些板也由金沉積。在傳感器工作期間，會對其施加超過 500 V 的電壓。當一個粒子飛過傳感器時，它會獲得一個可以測量的電流。如果電流強度在某個時間間隔內超過設置的閾值，則系統會發出有關光束損失的信號。
“慢速監測系統中的傳感器上一次更換是在 2015 年。我們剛剛更換了 8 個傳感器，這些傳感器將在未來五年左右使用。安裝準備，包括系統的全面檢查和新系統的校準傳感器，需要在現場進行數月的緊張工作。系統在豎井中的安裝持續了兩天兩夜。
由于這些新傳感器，我們來自其他 CMS 研究小組的同事將能夠為下一個對撞機的運行收集新的數據量，”TPU 高能物理研究所研究員 Alexey Shevelev 說。
據專家介紹，在研究團隊的任務中，正在尋找新材料，這將能夠降低傳感器的成本并延長其使用壽命。
“實際上，歐洲核子研究中心正在準備將LHC項目過渡到高亮度LHC(HL-LHC)項目。為了實施它，加速器的所有系統都被重新排序。根據計算，碰撞次數會增加幾十倍，輻射場會增加，因此金剛石傳感器會更快地失去其特性，并且必須更頻繁地更換它們。因此，我們正在積極尋找如何降低系統維護成本的方法以及可以使用什么金剛石秋天，在我們探測器的實驗部分，我們計劃安裝比目前使用的便宜幾倍的俄羅斯制造的鉆石樣品，并安裝便宜幾倍的藍寶石晶體。我們將研究它們的抗輻射性和降解率，”TPU 高能物理研究所初級研究員 Vitaly Okhotnikov 補充道。
參考：
TPU 科學家參與了歐洲核研究組織 (CERN) 的一些合作和部門的工作。因此，在 CMS 實驗合作中，大學科學家在 BRIL 項目中對粒子束特性的測量進行了研究。在大型強子對撞機美 (LHCb) 實驗的合作下，他們致力于科幻探測器的更新，對美麗和迷人的介子衰變進行分析，尋找奇異粒子。在 NA64 實驗的合作下，進行了尋找暗物質的實驗。在用于結構和光譜的普通介子和質子裝置 (COMPASS) 實驗中，對強子結構進行了研究。
