紧凑型介子电磁阀 (CMS) 探测器的 3D 渲染。 (图片来源：Naeblys via Getty Images)

CMS 或紧凑型 μ 子螺线管实验是世界上最大的粒子加速器大型强子对撞机(LHC) 上的粒子探测器。大型强子对撞机由欧洲核研究组织 (CERN) 运营，位于瑞士和法国的边界，它将粒子束加速到接近光速，将它们相互撞击，然后试图破译短命的粒子束结果形成的粒子，使用像CMS这样的探测器。

事实上，像 CMS 这样的探测器在 2012 年发现希格斯玻色子的过程中发挥了重要作用。

下面详细介绍希格斯发现中涉及的探测器之一，即 CMS 实验。

图中所示的紧凑型介子螺线管 (CMS) 每秒可捕获高达 4000 万次的粒子图像。 (图片来源：xenotar via Getty Images)
CMS 和 LHC 的其他探测器(如ATLAS)的基本目的是尽可能多地捕获有关 LHC 巨大的 17 英里长(27 公里)地下环中高能碰撞产生的粒子的信息。到欧洲核子研究中心。这些粒子通常会从中心碰撞点直线飞出。但在大型强子对撞机中，强磁体会弯曲带电粒子的 路径。通过测量粒子路径的详细形状，科学家们可以计算出它的电荷和动量，从而深入了解短暂产生的粒子类型。

在 CMS 的情况下，一个称为螺线管的巨大电磁体产生的磁场强度约为地球磁场的 100,000 倍。根据CERN的说法，这个螺线管由一个圆柱形的超导纤维线圈组成，18,500 安培的电流通过该线圈。

正是这种磁铁——有史以来最大的螺线管——提供了 CMS 名称中的第三个词。考虑到磁铁的巨大尺寸，第一个词“紧凑”可能看起来很奇怪，但它是一个相对术语。该探测器高 49 英尺(15 米)，长 69 英尺(21 m)，对于它所包装的所有科学设备来说，它确实非常紧凑。中间的词“μ子”是指一种重的带电基本粒子，CMS 旨在非常准确地检测到它。μ子是电子的较重的亲戚，这很重要，因为它们可以在包括希格斯玻色子在内的几种难以捉摸的粒子的衰变中产生。

据CERN称，与 ATLAS 实验一起，CMS 是位于 LHC 内部的两个通用探测器之一。CMS 和 ATLAS 具有相同的科学目标，但它们采用不同的磁体和技术系统。与 ATLAS 一样，CMS 位于 LHC 的交点之一，位于地下 328 英尺(100 m)的洞穴中。但它位于对撞机的另一侧，这使它位于不同的国家。ATLAS 位于瑞士的 Meyrin 附近，而 CMS 则更靠近法国的 Cessy。此外，ATLAS 是在其洞穴中建造和组装的，但 CMS 在降低到最终位置之前在地面上分为 15 个部分建造。

根据CERN的说法，CMS 类似于一个巨大的 3D 相机，每秒从各个方向拍摄多达 4000 万张粒子碰撞图像。它采用一系列嵌套的同心圆柱体的形式，每个圆柱体都有不同的任务要执行，围绕着中心碰撞点。靠近中间的是硅追踪器，包含大约 7500 万个独立的电子传感器，可以记录带电粒子追踪的弯曲路径。在更远的地方，一系列热量计测量在碰撞中抛出的粒子的能量。最后，探测器的外层是观察难以捉摸的介子的地方，使用专门设计的“介子室”。

尽管 CMS 实际位于法国，但从科学的角度来看，它是一个全球设施。据CERN称，与 ATLAS 一样，CMS 实验是一个将来自世界各地的科学界成员聚集在一起的协作企业。此次合作涉及来自 40 多个国家的约 200 所大学和其他机构的 4,000 多名物理学家和工程师。据参与合作的设施之一费米国家加速器实验室称， 2020 年 6 月，CMS 合作发表了第 1000 篇经过同行评审的研究论文。

一千篇论文是一项了不起的成就——更何况大型强子对撞机是在 2009 年才开始运行的。毫无疑问，迄今为止的最高点是 CMS这篇论文，它展示了该实验对发现希格斯玻色子的贡献。据预测，这种粒子早在 1960 年代就已经存在，由于其巨大的质量和短暂的存在，几十年来它已经避开了世界上的超级对撞机。

只有在大型强子对撞机开始运行时，碰撞能量才变得足够高以产生希格斯粒子。根据CERN的说法，搜索最终在 2012 年结束，同年 7 月 4 日正式宣布 CMS 和 ATLAS 都检测到了意义为“5 sigma”的希格斯粒子，这是一个统计术语，意思是小于百万分之一的机会检测是由随机波动引起的。

正如那数千篇论文所证明的那样，希格斯粒子的发现远未结束 CMS 之路。根据 CERN 的说法，当大型强子对撞机在 2022 年 4 月重新启动时，CMS 实验将在试图回答物理学中一些最大的问题方面发挥核心作用，包括暗物质是由什么构成的，以及是否可能存在其他空间维度。