Opgradering af CERN LHCs CMS eksperiment detektor

Nogle gange kræver store spørgsmål store værktøjer. Derfor har et globalt samfund af forskere designet og bygget gigantiske detektorer til at overvåge partikelkollisioner med høj energi genereret af CERNs Large Hadron Collider i Genève, Schweiz. Fra disse sammenstød, forskere kan spore Big Bangs fodspor og søge nye naturegenskaber.

CMS -eksperimentet er en sådan detektor. I 2012, den opdagede den undvigende Higgs-boson sammen med sit søstereksperiment, ATLAS. Nu, CMS -forskere ønsker at skubbe ud over de kendte fysiske love og søge efter nye fænomener, der kan hjælpe med at besvare grundlæggende spørgsmål om vores univers. Men for at gøre dette, CMS -detektoren havde brug for en opgradering.

"Ligesom enhver anden elektronisk enhed, over tid slides dele af vores detektor ned, "sagde Steve Nahn, en forsker i det amerikanske energiministeriums Fermilab og den amerikanske projektleder for CMS -detektoropgraderinger. "Vi har planlagt og designet denne opgradering siden kort tid efter, at vores eksperiment første gang begyndte at indsamle data i 2010."

CMS -detektoren er bygget som et kæmpe løg. Den indeholder lag af instrumenter, der sporer banen, energi og momentum af partikler produceret i LHC's kollisioner. Langt de fleste sensorer i den massive detektor er pakket ind i midten, inden for det, der kaldes pixeldetektoren. CMS -pixeldetektoren bruger sensorer som dem inde i digitale kameraer, men med en lynhurtig lukkerhastighed:I tre dimensioner, de tager 40 millioner billeder hvert sekund.

I de sidste mange år har forskere og ingeniører ved Fermilab og 21 amerikanske universiteter har samlet og testet en ny pixeldetektor for at erstatte den nuværende som en del af CMS -opgraderingen, med finansiering fra Department of Energy Office of Science og National Science Foundation.

Pixeldetektoren består af tre sektioner:den inderste tønde sektion og to endehætter kaldet fremadgående pixeldetektorer. Den opdelte og kan-lignende struktur giver forskere en næsten fuldstændig dækningssfære omkring kollisionspunktet. Fordi de tre pixeldetektorer passer på strålerøret som tre omfangsrige armbånd, ingeniører designede hver komponent som to halvmåner, som låses sammen for at danne en ring omkring bjælkerøret under indsættelsesprocessen.

Over tid, forskere har øget partikelkollisionerne ved LHC. Alene i 2016, LHC producerede omtrent lige så mange kollisioner, som den havde i de tre år af sin første kørsel. For at kunne skelne mellem snesevis af samtidige kollisioner, CMS havde brug for en helt ny pixeldetektor.

Opgraderingen pakker endnu flere sensorer ind i hjertet af CMS -detektoren. Det er som om CMS dimitterede fra et 66 megapixel kamera til et 124 megapixel kamera.

Hver af de to fremadgående pixeldetektorer er en mosaik af 672 siliciumsensorer, robust elektronik og bundter af kabler og optiske fibre, der tilfører elektricitet og instruktioner ind og bærer rådata ud, ifølge Marco Verzocchi, en Fermilab -forsker på CMS -eksperimentet.

Flerdelen, 6,5 meter lang pixeldetektor er lige så sart som rå spaghetti. At installere de nye komponenter i et hul på størrelse med et mandehul krævede mere end bare finesse. Det krævede måneders planlægning og ekstrem koordinering.

"Vi praktiserede denne installation på mock-ups af vores detektor mange gange, "sagde Greg Derylo, ingeniør hos Fermilab. "Da vi kom til selve installationen, vi vidste nøjagtigt, hvordan vi skulle skubbe denne nye komponent ind i hjertet af CMS. "

Den sværeste del var at manøvrere de sarte komponenter omkring de allerede eksisterende strukturer inde i CMS-eksperimentet.

"I alt, den fulde tredelte pixeldetektor består af seks separate segmenter, som passer sammen som et tredimensionelt cylindrisk puslespil omkring bjælkerøret, "sagde Stephanie Timpone, en Fermilab ingeniør. "At indsætte stykkerne i de rigtige positioner og i den rigtige rækkefølge uden at røre ved nogen af ​​de eksisterende støtter og beskyttelser var en velkoreograferet dans."

For ingeniører som Timpone og Derylo, installation af pixeldetektoren var det sidste trin i en seksårig proces. Men for forskerne, der arbejder på CMS -eksperimentet, det var bare begyndelsen.

"Nu skal vi få det til at fungere, "sagde Stefanos Leontsinis, en postdoktor ved University of Colorado, Kampesten. "Vi vil bruge de næste uger på at teste komponenterne og forberede LHC -genstart."