Building a crystal palace
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Description
The end-caps of the CMS electromagnetic calorimeter (ECAL) take shape as the first quadrant was completed on Wednesday 3 October.
1831 crystals, organised into five by five blocks named 'supercrystals', make up the first quadrant of Dee 1.
With the 61,200-crystal barrel of its electromagnetic calorimeter (ECAL) complete, CMS is now building the endcaps, on the tenth anniversary of their initial design. Crystals for the endcaps were the last to be made, so the race is now on to have them all in place and ready for the turn-on of the LHC next year. Assembly of the first of eight quadrants began in June and crystal mounting was completed on Wednesday 3 October.
Each crystal is transparent, has a volume just larger than a CERN coffee cup yet weighs a huge 1.5kg. 1831 of these lead tungstate crystals went into the first quadrant from a total 14,648 in the endcaps. The lead and tungsten account for 86% of each crystal's weight, but as project leader Dave Cockerill explains, "with just a touch of oxygen it becomes a transparent medium that scintillates with the particles coming through it. Magic!"
The ECAL detects two of the main particles of interest coming out of collisions at CMS, electrons and photons, and measures their energies. Incident particles deposit their energy in the crystals, which emit a proportional amount of scintillation light that can be measured.
Each endcap is made up of two "Dee"s, so called for their resemblance to the letter, done so that the halves can be assembled around the beam pipe without needing to cut into it. Each Dee is split into two quadrants made up of five by five blocks named 'supercrystals', each of which weighs about 45 kg.
Their weight presented a novel assembly challenge: "We have a special loading arm, similar to the one used for the barrel. We bolt the supercrystal on the end of it and then, as far as the operator is concerned, it is weightless, fingertip steering. We can very delicately bring it into the right place and screw it on. You couldn't do this manually or with a crane," explains Dave.
The endcaps are an essential part of CMS as they extend the coverage of the barrel part of the electromagnetic calorimeter. "As the particles can go in all directions, the more we can cover of these directions, the more chance we have of detecting the particles," explains Dave. "In the case of the Higgs, if it decays to two photons, then having the endcaps in CMS adds about 40% to our coverage and so our capability of detecting it".
CMS anticipates completely installing the first ECAL endcap by March next year and the second by June, so at least one endcap will be in place by start-up. Being one of the last pieces of CMS to be installed presents a challenge: "We are proceeding as safely but as fast as possible to ensure a fully working detector for LHC."
With crunch time drawing near, the team is tense but excited: "The overall feeling is excitement. It's a bit like stage fright – you're about to go on stage and you're excited and frightened but you're well prepared and you're hoping it's all going to go really well. That's the feeling at the moment."
Other (French)
Les bouchons du calorimètre électromagnétique de CMS (ECAL) commencent à prendre forme ; le premier quadrant a été achevé le mercredi 3 octobre.
1831 cristaux, organisés en blocs de 25 cristaux appelées « supercristaux », composent le premier quadrant terminé des bouchons du calorimètre électromagnétique de CMS.
Une fois terminés le tonneau du calorimètre électromagnétique (ECAL) et ses 61 200 cristaux, CMS est passé aux bouchons, dix ans après leur conception initiale. Les cristaux des bouchons ont été les derniers fabriqués ; il s'agit maintenant de les mettre en place à temps pour le lancement du LHC l'année prochaine. L'assemblage du premier des huit quadrants a commencé en juin et le montage des cristaux s'est achevé le mercredi 3 octobre.
Chaque cristal est transparent, a un volume à peine plus grand qu'une tasse de café, mais pèse pourtant pas moins de 1,5 kg. 1831 de ces cristaux de tungstate de plomb ont été installés dans le premier quadrant, sur les 14 648 que comptent au total les bouchons. Le plomb et le tungstène représentent 86 % du poids de chaque cristal, mais, comme l'explique Dave Cockerill, chef de projet : « c'est la petite dose d'oxygène qui en fait un matériau transparent qui scintille lorsqu'il est traversé par des particules. C'est magique ! »
Le calorimètre électromagnétique détecte deux des principales particules intéressantes issues des collision à CMS, à savoir les électrons et les photons, et mesure leurs énergies. Les particules incidentes déposent leur énergie dans les cristaux, qui émettent une lumière de scintillation proportionnelle, laquelle peut être mesurée.
Chaque bouchon est constitué de deux éléments en forme de « D », faits de telle manière que les moitiés peuvent être assemblées autour du tube de faisceau sans qu'il soit nécessaire d'entailler celui-ci. Chaque D est divisé en deux quadrants constitués de blocs de cristaux (5 x 5), appelés « supercristaux ». Chacun de ces blocs pèse environ 45 kg.
Leur poids présente une difficulté particulière pour le montage : « Nous utilisons un bras de chargement spécial, semblable à celui qui sert pour le tonneau. Nous fixons le supercristal à son extrémité, puis l'opérateur peut diriger la mise en place sans plus sentir le poids, du bout des doigts. Nous pouvons ainsi l'amener délicatement en position avant de le visser. On ne pourrait pas faire ça manuellement ou avec une grue », explique Dave Cockerill.
Les bouchons constituent une partie essentielle de CMS, dans la mesure où ils forment une extension de la partie tonneau d'ECAL. « Comme les particules fusent en tous sens, plus nos détecteurs couvriront de directions, plus nous aurons de chances de les attraper. Dans le cas du Higgs, s'il se désintègre en deux photons, le fait de disposer des bouchons de CMS accroît d'environ 40 % le champ et la capacité de détection. »
L'équipe compte avoir achevé l'installation du premier bouchon de l'ECAL en mars de l'année prochaine, et le deuxième en juin ; ainsi, au moins un des bouchons sera en place au moment du démarrage de la machine. Faire partie des dernières pièces de CMS à installer ne va pas sans poser quelques problèmes. « Nous avançons rapidement, mais sûrement, dans la cons-truction d'un détecteur opérationnel pour le LHC. »
Le grand jour approche et tout le monde est sur le pont. « C'est l'effervescence. Comme les acteurs avant leur entrée en scène, nous sommes enthousiastes et en même temps, nous avons le trac. D'un autre côté, quand on est bien préparé, on pense que tout ira bien. C'est ce que nous ressentons en ce moment. »
Additional details
Identifiers
- CDS
- 1063631
- CDS Report Number
- BUL-NA-2007-239