2023年3月8日北京時間18:30在beat365理教109舉辦了CMS虛拟訪問活動，我們通過和歐洲核子中心遠程連線，身臨其境的和探測器“親密”接觸。

大型加速器為了還原宇宙大爆炸早期的情形，對撞中心達到非常高的能量，此時粒子會發生正常情況下發生不了的一些反應。物理學家想竭盡全力地描述微觀世界，來建立微觀世界相應的理論，目前量子場論可以很好地描述這一切。當兩個質子發生對撞的時候，它們的量子場之間會發生強烈的相互作用，由于能量非常高，可能會産生新的量子場，比如說發現了希格斯粒子，就是産生了希格斯場，希格斯場被激發出來後非常的不穩定，繼續與其他的量子場發生反應，相當于衰變到其他的粒子。實際産生的粒子過程非常的複雜，末态也可能會有成百個粒子，探測器便是用各種各樣的方式将産生的粒子記錄下來，将它們交給物理學家來進行物理分析，轉換到物理測量的結果上。

LHC（大型強子對撞機）是目前世界上能量最大的對撞機，對撞能量可以高達13TeV，可以将質子加速到0.9999倍的光速。兩束質子發生對撞會産生大量的粒子，此時需要實驗儀器将對撞産生的末态産物記錄下來，便于物理學家對記錄的實驗數據進行研究。大型強子對撞機埋藏在地下100米的地方，質子束流被分為兩束在環中順逆時針加速運動，在環中有四處對撞點，引導這兩束質子在對撞點發生碰撞，CMS（Compact Muon Solenoid)探測器位于其中一個對撞點。

CMS是一個圓筒形的探測器，在其中心兩束質子流闆發生對撞，産生大量的碎片，我們稱之為次級粒子，建造探測器的目的就是來鑒别這些碎片——它們的速度、能量等各種各樣的特性。将這些數據存在計算機中，我們想通過這些次級粒子的信息來推測對撞時發生了什麼，通過鑒别次級粒子來研究對撞時發生了什麼便是當今粒子物理的主要課題。

CMS探測器剖面圖

探測器有成千上萬的零件，但所有的零件可以分為最主要的四大塊：磁鐵、徑迹室、量能器和缪子探測器。其中最大的單個部件為螺線管磁鐵，電流在螺線管内繞圈運動，産生很大的磁場。跟普通的螺線管磁鐵不同，CMS上的螺線管的導線不是由銅線制作。這是由于銅線有電阻，當電流過大時，銅線會發熱熔斷。由于磁場和導線中的電流成正比，所以使用銅線可以産生的最大磁場受限。CMS上的螺線管磁鐵中的導線是由鎳钛合金制作，當它被冷卻到-271度時，會發生超導現象，此時沒有電阻，所以可以承受比銅線制作的螺線管20倍以上的電流，當然，可以産生的磁場會更大。超導螺線管上可以産生高達4T的磁場，其中的電流達到上萬安培，這幾乎是目前世界上人類能夠産生的最強的磁場。LHC已經停運了很久，将在不久之後重新開啟RUN3的取數。在磁鐵關了很長一段時間後，我們依然可以看到有剩餘的一些磁場，如下圖所示，回形針在磁場的作用下可以“粘”在鐵上（目前磁鐵并沒有通電開啟）。超導螺線管磁鐵直徑6米，長11米，是目前世界上最大的超導螺旋管磁鐵，由于螺線管（solenoid）的重要性，所以将它寫入了CMS的名稱當中。CMS整體直徑15m長28m,重14000t，在LHC的四個實驗探測器中，不是最大的，但卻是小而重的存在，所以采用了Compact（緊湊的）這個詞，而M是缪子（muon）的含義。

質子束團在探測器中心發生對撞，對撞後産生大量的碎片，若無磁場，則所有的粒子都聚集在一起，無法清晰的辨别粒子的軌迹。而加上磁場之後，帶電粒子在磁場中會以螺旋線向前偏轉運動，所以磁場可以使帶電粒子和中性粒子的徑迹分開。如圖所示，最内圈為徑迹室，粒子在其中穿行會留下一個一個的點（位置），我們可以根據這些點來推測粒子的運動軌迹，再通過運動軌迹來得到帶電粒子的動量。

徑迹探測器（内圈）和量能器（外圈）示意圖

更外圈的部分為量能器，這個部分做的非常的厚重，大部分粒子會無法穿透這部分，停留在其中。粒子在其中發生集聯簇射全部損毀在其中，這樣可以通過探測器将粒子的能量收集起來，再通過重建算法得到粒子的能量。其中有個粒子非常的特殊（缪子），它具有非常強的穿透能力，可以穿透并且飛到量能器之外，所在在更外層的部分，我們設置了專門的缪子探測器。磁鐵外圈具有和内圈反向的磁場，缪子帶電也會發生偏轉，像内部的徑迹室一樣，缪子在缪子探測器中也會留下運動軌迹，我們可以據此測量缪子的動量。CMS相比其他探測器的一個重要的特點在于它可以對缪子進行非常精确的測量。如果一個物理過程的末态産生了缪子，我們可以通過缪子對這個物理過程進行精确的測量，從而對其中涉及到的物理量達到一個更高的精度。對撞過程産生的缪子不多，大約占所有粒子總數的百分之一，但是由于我們對缪子的測量比較的精确，很多重要的新粒子或者新物理過程都有缪子末态，所以它非常的重要。當年的希格斯粒子發現有一個非常重要和清晰的衰變道，就是四缪子末态。

CMS四缪子末态的展示圖，紅色的線就是根據缪子探測器探測結果重建出來的四缪子的運動軌迹

下面我們跟随錢老師去看一下探測器的實體吧！

探測器入口

進入這扇門我們便可以看到探測器本體，（需要經過非常嚴格的手續）每個人都會拿着一把鑰匙，若是有一把鑰匙沒有回位，則LHC不會開始運行。LHC非常考慮大家的安全，不想讓任何人在任何時候因為任何原因受到任何傷害。

探測器的正面視圖

探測器的側視圖，束流是通過這個橙色管道輸入進來進行對撞

探測器頂部有一個豎井，可以把東西從地面釣下來進行安裝

現場來了很多對高能物理實驗感興趣的同學，寇享線上平台在線觀看人次為1804人。大家認真聽了錢思進老師和李聰喬學長的講解後，對CMS探測器有了更深入的了解。錢老師幽默風趣，淺顯易懂地向大家介紹着CMS探測器，現場氣氛輕松活躍。

虛拟訪問的反響很好，高能所的趙靜宜老師留言到“錢老師講解非常熱情，科普效果滿分！”，有同學在留言紙上認真記下了筆記，并且說到“如此近距離參觀這樣大型的實驗裝置，十分地讓人對這一領域産生熱情”，說不定這一次和高能物理的偶遇，會在這位同學的心裡埋下一顆高能的種子，期待我們的再次相遇。我們還收到了很多很好的反饋“解說清晰，探測器非常震撼！”，“感謝組織團隊的精彩活動安排！讓我對CMS有了更多的了解！”，“CMS虛拟參觀十分有趣，雖說在網絡上看到了很多相關的信息，但親身參觀（哪怕是虛拟）還是十分震撼。最直觀的感受就是它真的在很低的地方！錢老師”萬裡迢迢深入地下、線路、模型和講解一齊展開，充滿着物理的魅力。”，“CMS實驗工程體現了研究人員和技術人員的智慧，過往的探索是完善标準模型，而未來的探索是尋找區别于标準模型的新物理。無論是完善，還是開拓，都體現了高能物理研究人員的智慧和堅持！”，也有非beat365的同學來參加，“雖然不是beat365的學生但覺得非常有意思。非常感謝有這種機會。”，“很感謝能夠深刻地了解CMS。”，還有一些同學通過這次活動了解到了更多的細節，“第一次知道是鎳钛合金做的螺線管材料，希望可以多一些這樣的細節。”