Mô hình Máy dò CMS của CERN

Mô hình tỷ lệ 120:1 của Compact Muon Solenoid (CMS) là một trong bốn thí nghiệm lớn của Large Hadron Collider (LHC), máy gia tốc hạt lớn nhất và mạnh nhất thế giới. LHC là một phần của tổ hợp máy gia tốc của CERN ở Geneva, Thụy Sĩ. Máy dò này nằm sâu 100 mét dưới lòng đất gần Cessy, Pháp, ở phía đối diện của LHC với máy dò ATLAS. Nó cao 15 mét, dài 21 mét và nặng 14.000 tấn.

Mô hình tỷ lệ 120:1 này trưng bày các thành phần quan trọng nhất của CMS. Nó dựa trên các Báo cáo Thiết kế Kỹ thuật (Technical Design Reports) gốc và dự án SketchUpCMS. Ban đầu được mô hình hóa bởi James Wetzel, W.G. Wetzel và Nick Arevalo với sự hỗ trợ từ Don Lincoln. Một số bộ phận đã được tôi chỉnh sửa để dễ in hoặc để làm đẹp.

Nếu bạn thích mô hình này nhưng thấy nó quá phức tạp để in, hãy xem phiên bản !

Mục tiêu của CMS

CMS là một máy dò đa mục đích với chương trình vật lý rộng lớn, từ việc nghiên cứu Mô hình Chuẩn (bao gồm cả boson Higgs) đến tìm kiếm các chiều không gian bổ sung và các hạt có thể tạo nên vật chất tối.

Thành phần

Máy dò CMS có hình dạng giống một củ hành tây hình trụ, với nhiều lớp thành phần đồng tâm. Các thành phần này giúp chuẩn bị "ảnh chụp" của mỗi sự kiện va chạm bằng cách xác định các đặc tính của các hạt được tạo ra trong va chạm đó.

Các vụ va chạm hạt xảy ra ở trung tâm của máy dò, bên trong ống chùm của máy gia tốc LHC. Bên trong máy gia tốc, hai chùm hạt năng lượng cao di chuyển gần bằng tốc độ ánh sáng trước khi chúng được cho va chạm. Các chùm di chuyển theo hai hướng ngược nhau trong các ống chùm riêng biệt – hai ống được giữ trong chân không siêu cao. Chúng được dẫn quanh vòng tròn máy gia tốc bằng một từ trường mạnh được duy trì bởi các nam châm điện siêu dẫn.

Máy dò CMS được chế tạo quanh một nam châm solenoid khổng lồ. Nó có dạng một cuộn dây hình trụ bằng cáp siêu dẫn tạo ra trường 4 tesla, mạnh gấp khoảng 100.000 lần từ trường của Trái Đất. Trường này được giới hạn bởi một "yoke" bằng thép, chiếm phần lớn trọng lượng 14.000 tấn của máy dò.

CMS hoạt động như một chiếc máy ảnh khổng lồ, tốc độ cao, chụp "ảnh" 3D các vụ va chạm hạt từ mọi hướng, lên đến 40 triệu lần mỗi giây. Mặc dù hầu hết các hạt được tạo ra trong các vụ va chạm là "không bền", chúng nhanh chóng biến đổi thành các hạt bền có thể được CMS phát hiện. Bằng cách xác định (gần như) tất cả các hạt bền được tạo ra trong mỗi vụ va chạm, đo động lượng và năng lượng của chúng, sau đó ghép thông tin của tất cả các hạt này lại như ghép các mảnh ghép của một câu đố, máy dò có thể tái tạo một "hình ảnh" của vụ va chạm để phân tích thêm.

Dưới đây là mô tả ngắn gọn về từng thành phần được thể hiện trong mô hình, nhìn từ trong ra ngoài:

Barrel_6_Tracker.stl Bộ theo dõi Silicone (Silicone Tracker) bao gồm khoảng 75 triệu cảm biến điện tử riêng lẻ được sắp xếp theo các lớp đồng tâm. Khi một hạt mang điện bay qua lớp Tracker, nó tương tác điện từ với silicon và tạo ra một điểm đánh dấu (hit) -- các điểm đánh dấu riêng lẻ này sau đó có thể được nối lại với nhau để xác định quỹ đạo của hạt đi qua.

Barrel_5_ECAL.stl Máy đo năng lượng điện từ (Electromagnetic Calorimeter - ECAL) đo năng lượng của electron và photon bằng cách dừng chúng hoàn toàn.

Barrel_4_HCAL.stl Máy đo năng lượng Hadron (Hadron Calorimeter - HCAL) đo năng lượng của "hadron", các hạt được tạo thành từ quark và gluon (ví dụ: proton, neutron, pion và kaon).

Barrel_3_Solenoid.stl Nam châm solenoid, được tạo thành từ một cuộn dây hình trụ bằng sợi siêu dẫn. Khi dòng điện (18.500 ampe!) chạy qua các cuộn dây này, chúng tạo ra một từ trường khoảng 4 tesla. Solenoid này là nam châm lớn nhất thuộc loại này từng được chế tạo.

Barrel_2_Yoke.stl Yoke bằng thép giới hạn từ trường mạnh trong thể tích của máy dò.

Barrel_1_Muons.stl Các buồng muon, một trong những thành phần quan trọng nhất của CMS. Có hai loại máy dò muon khác nhau trong phần thân: Drift Tubes (DTs) và Resistive Plate Chambers (RPCs).

Endcap_Full.stl và Endcap_Quarter.stl Các nắp chụp (endcaps) "đóng" hai đầu của phần thân. Chúng được làm từ các lớp xen kẽ của yoke thép và các buồng muon, bao gồm Cathode Strip Chambers (CSCs) và Resistive Plate Chambers (RPCs).

HF_Full.stl và HF_Quarter.stl Các máy đo năng lượng hướng tới (Hadronic Forward calorimeters - HF), là một phần của hệ thống HCAL, thu thập vô số hạt thoát ra từ vùng va chạm ở các góc nông so với đường chùm tia.

Airpad-16.stl Một hệ thống piston chạy bằng khí nén để nâng các nắp chụp khi di chuyển chúng vào vị trí. Mỗi pad có thể nâng ~350 tấn!

Barrel_Feet-2.stl, Endcap_Feet-2.stl, HF_Riser-8.stl và HF_Table-2.stl Các cấu trúc hỗ trợ.

Hướng dẫn in

Độ điền đầy 5% là đủ, không cần lãng phí thêm nhựa. Tôi khuyên dùng họa tiết infill hình tổ ong ít nhất cho các bộ phận nắp chụp, nếu không các lớp trên có thể không đẹp.

Các bộ phận sau cần in với giá đỡ (chỉ trên mặt đế):

• Barrel_Feet-2.stl
• Endcap_Feet-2.stl
• Endcap_Quarter.stl và Endcap_Full.stl
• HF_Quarter.stl và HF_Full.stl
• HF_Table-2.stl

Để có một mô hình hoàn chỉnh, hãy in một bản của mỗi tệp ngoại trừ:

• Airpad-16.stl, in 16 cái
• Barrel_Feet-2.stl, in 2 cái
• Endcap_Feet-2.stl, in 2 cái
• HF_Riser-8.stl, in 8 cái
• HF_Table-2.stl, in 2 cái

Mô hình này trông đẹp nhất khi in với ít nhất 6 màu khác nhau, tốt nhất là ít nhất 8 màu. Các bộ phận khác nhau nên có màu khác nhau để có thể phân biệt chúng một cách rõ ràng. Đây là cách bạn nên phân bổ màu sắc:

• Barrel_1_Muons.stl: color1
• Barrel_2_Yoke.stl: color2
• Barrel_3_Solenoid.stl: color3
• Barrel_4_HCAL.stl: color4
• Barrel_5_ECAL.stl: color5
• Barrel_6_Tracker.stl: color6
• Endcap_Quarter.stl và Endcap_Full.stl: color2, color1, color4 và color5
• Barrel_Feet-2.stl và Endcap_Feet-2.stl: color2
• HF_Quarter.stl và HF_Full.stl: color7 hoặc color4 (nếu phải dùng lại)
• HF_Riser-8.stl: color8
• HF_Table-2.stl: color8 hoặc color9
• Airpad-16.stl: color8 hoặc color10

Nếu bạn muốn nó trông giống thật hơn, color1 nên là màu trắng, color2 nên là màu đỏ, color8 nên là màu vàng, color10 nên là màu cam và các màu còn lại tùy bạn. Đừng ngần ngại xem ảnh của bản thật để lấy cảm hứng.

Hai bộ phận nắp chụp có các lớp xen kẽ, vì vậy bạn nên in chúng với các lần đổi màu. Giả sử chiều cao lớp là 0.2mm, tỷ lệ 100% và các bộ phận 2.0, đây là các điểm thay đổi màu:

bắt đầu với color2 2.6 : color1 6.0 : color2 8.6 : color1 11.8 : color2 17.6: color1 21.0: color2 26.8: color1 31.4: color2 34.8: color4 56.4: color5