2023年3月8日北京时间18:30在北京大学理教109举办了CMS虚拟访问活动，我们通过和欧洲核子中心远程连线，身临其境的和探测器“亲密”接触。

大型加速器为了还原宇宙大爆炸早期的情形，对撞中心达到非常高的能量，此时粒子会发生正常情况下发生不了的一些反应。物理学家想竭尽全力地描述微观世界，来建立微观世界相应的理论，目前量子场论可以很好地描述这一切。当两个质子发生对撞的时候，它们的量子场之间会发生强烈的相互作用，由于能量非常高，可能会产生新的量子场，比如说发现了希格斯粒子，就是产生了希格斯场，希格斯场被激发出来后非常的不稳定，继续与其他的量子场发生反应，相当于衰变到其他的粒子。实际产生的粒子过程非常的复杂，末态也可能会有成百个粒子，探测器便是用各种各样的方式将产生的粒子记录下来，将它们交给物理学家来进行物理分析，转换到物理测量的结果上。

LHC（大型强子对撞机）是目前世界上能量最大的对撞机，对撞能量可以高达13TeV，可以将质子加速到0.9999倍的光速。两束质子发生对撞会产生大量的粒子，此时需要实验仪器将对撞产生的末态产物记录下来，便于物理学家对记录的实验数据进行研究。大型强子对撞机埋藏在地下100米的地方，质子束流被分为两束在环中顺逆时针加速运动，在环中有四处对撞点，引导这两束质子在对撞点发生碰撞，CMS（Compact Muon Solenoid)探测器位于其中一个对撞点。

CMS是一个圆筒形的探测器，在其中心两束质子流板发生对撞，产生大量的碎片，我们称之为次级粒子，建造探测器的目的就是来鉴别这些碎片——它们的速度、能量等各种各样的特性。将这些数据存在计算机中，我们想通过这些次级粒子的信息来推测对撞时发生了什么，通过鉴别次级粒子来研究对撞时发生了什么便是当今粒子物理的主要课题。

CMS探测器剖面图

探测器有成千上万的零件，但所有的零件可以分为最主要的四大块：磁铁、径迹室、量能器和缪子探测器。其中最大的单个部件为螺线管磁铁，电流在螺线管内绕圈运动，产生很大的磁场。跟普通的螺线管磁铁不同，CMS上的螺线管的导线不是由铜线制作。这是由于铜线有电阻，当电流过大时，铜线会发热熔断。由于磁场和导线中的电流成正比，所以使用铜线可以产生的最大磁场受限。CMS上的螺线管磁铁中的导线是由镍钛合金制作，当它被冷却到-271度时，会发生超导现象，此时没有电阻，所以可以承受比铜线制作的螺线管20倍以上的电流，当然，可以产生的磁场会更大。超导螺线管上可以产生高达4T的磁场，其中的电流达到上万安培，这几乎是目前世界上人类能够产生的最强的磁场。LHC已经停运了很久，将在不久之后重新开启RUN3的取数。在磁铁关了很长一段时间后，我们依然可以看到有剩余的一些磁场，如下图所示，回形针在磁场的作用下可以“粘”在铁上（目前磁铁并没有通电开启）。超导螺线管磁铁直径6米，长11米，是目前世界上最大的超导螺旋管磁铁，由于螺线管（solenoid）的重要性，所以将它写入了CMS的名称当中。CMS整体直径15m长28m,重14000t，在LHC的四个实验探测器中，不是最大的，但却是小而重的存在，所以采用了Compact（紧凑的）这个词，而M是缪子（muon）的含义。

质子束团在探测器中心发生对撞，对撞后产生大量的碎片，若无磁场，则所有的粒子都聚集在一起，无法清晰的辨别粒子的轨迹。而加上磁场之后，带电粒子在磁场中会以螺旋线向前偏转运动，所以磁场可以使带电粒子和中性粒子的径迹分开。如图所示，最内圈为径迹室，粒子在其中穿行会留下一个一个的点（位置），我们可以根据这些点来推测粒子的运动轨迹，再通过运动轨迹来得到带电粒子的动量。

径迹探测器（内圈）和量能器（外圈）示意图

更外圈的部分为量能器，这个部分做的非常的厚重，大部分粒子会无法穿透这部分，停留在其中。粒子在其中发生集联簇射全部损毁在其中，这样可以通过探测器将粒子的能量收集起来，再通过重建算法得到粒子的能量。其中有个粒子非常的特殊（缪子），它具有非常强的穿透能力，可以穿透并且飞到量能器之外，所在在更外层的部分，我们设置了专门的缪子探测器。磁铁外圈具有和内圈反向的磁场，缪子带电也会发生偏转，像内部的径迹室一样，缪子在缪子探测器中也会留下运动轨迹，我们可以据此测量缪子的动量。CMS相比其他探测器的一个重要的特点在于它可以对缪子进行非常精确的测量。如果一个物理过程的末态产生了缪子，我们可以通过缪子对这个物理过程进行精确的测量，从而对其中涉及到的物理量达到一个更高的精度。对撞过程产生的缪子不多，大约占所有粒子总数的百分之一，但是由于我们对缪子的测量比较的精确，很多重要的新粒子或者新物理过程都有缪子末态，所以它非常的重要。当年的希格斯粒子发现有一个非常重要和清晰的衰变道，就是四缪子末态。

CMS四缪子末态的展示图，红色的线就是根据缪子探测器探测结果重建出来的四缪子的运动轨迹

下面我们跟随钱老师去看一下探测器的实体吧！

探测器入口

进入这扇门我们便可以看到探测器本体，（需要经过非常严格的手续）每个人都会拿着一把钥匙，若是有一把钥匙没有回位，则LHC不会开始运行。LHC非常考虑大家的安全，不想让任何人在任何时候因为任何原因受到任何伤害。

探测器的正面视图

探测器的侧视图，束流是通过这个橙色管道输入进来进行对撞

探测器顶部有一个竖井，可以把东西从地面钓下来进行安装

现场来了很多对高能物理实验感兴趣的同学，寇享线上平台在线观看人次为1804人。大家认真听了钱思进老师和李聪乔学长的讲解后，对CMS探测器有了更深入的了解。钱老师幽默风趣，浅显易懂地向大家介绍着CMS探测器，现场气氛轻松活跃。

虚拟访问的反响很好，高能所的赵静宜老师留言到“钱老师讲解非常热情，科普效果满分！”，有同学在留言纸上认真记下了笔记，并且说到“如此近距离参观这样大型的实验装置，十分地让人对这一领域产生热情”，说不定这一次和高能物理的偶遇，会在这位同学的心里埋下一颗高能的种子，期待我们的再次相遇。我们还收到了很多很好的反馈“解说清晰，探测器非常震撼！”，“感谢组织团队的精彩活动安排！让我对CMS有了更多的了解！”，“CMS虚拟参观十分有趣，虽说在网络上看到了很多相关的信息，但亲身参观（哪怕是虚拟）还是十分震撼。最直观的感受就是它真的在很低的地方！钱老师”万里迢迢深入地下、线路、模型和讲解一齐展开，充满着物理的魅力。”，“CMS实验工程体现了研究人员和技术人员的智慧，过往的探索是完善标准模型，而未来的探索是寻找区别于标准模型的新物理。无论是完善，还是开拓，都体现了高能物理研究人员的智慧和坚持！”，也有非物理学院的同学来参加，“虽然不是物理学院的学生但觉得非常有意思。非常感谢有这种机会。”，“很感谢能够深刻地了解CMS。”，还有一些同学通过这次活动了解到了更多的细节，“第一次知道是镍钛合金做的螺线管材料，希望可以多一些这样的细节。”