Siliciumsmørbrød fodrer LHC'er med en opgraderet kollisionslyst

I en særlig, støvfri, rent laboratorium, grænser op til den schweizisk-franske grænse, en gruppe fysikere bruger deres tid på at undersøge sekskanter i håndstørrelse af silicium. Disse sekskanter er en brøkdel af en millimeter tyk og består af over hundrede mindre sekskanter, individuelle sensorer hver cirka en centimeter på tværs. Sammen med lag af metal, sensorerne vil danne en ny subdetektor til udskiftning af en del af endehætte-kalorimetrene i CERN's CMS-eksperiment.

Et kalorimeter måler den energi, en partikel mister, når den passerer igennem. Det er normalt designet til helt at stoppe eller "absorbere" de fleste partikler, der kommer fra en kollision. De nye kalorimetersensorer vil blive brugt til at måle energi og ankomsttid og til at spore stien til individuelle partikler, der flyver ud i form af affald fra kollisionspunktet i midten af ​​eksperimentet. Når den er på plads, dette vil være første gang, at denne type siliciumsensor nogensinde er blevet brugt i kalorimeteret på en partikeldetektor i så stor skala.

Sensorerne er en del af et større opgraderingsprojekt for at sikre, at eksperimenterne er i stand til at klare et større antal partikelkollisioner som følge af opgraderingen af ​​High Luminosity LHC (HL-LHC) i 2025, og det øgede opdagelsespotentiale, der følger med. Den nuværende teknologi er baseret på lang, klare bly-wolframkrystaller designet til at klare strålingen i detektorerne Selvom de fungerer fint i LHC-æraen, indtil 2025, mængden af ​​stråling, der forventes under HL-LHC, vil mørkere krystallerne, indtil de bliver blinde for partikler, der passerer gennem dem.

"De blytungstatskrystaller, vi bruger nu, er designet til at fungere ved forholdsvis lave kollisionshastigheder og i et miljø med lav stråling. Med HL-LHC, vi får hundredvis af kollisioner på én gang, så vi havde brug for noget, der kunne modstå den øgede stråling og løse byger fra partikler meget tæt på hinanden i rum og tid, "forklarer Eva Sicking, den anvendte fysiker, der leder dette siliciumsensorprojekt. "Vi ønsker at kunne skelne de forskellige partikler, vi ser, og ved også, hvilke der kom fra hvilke kollisioner. "

"Disse sensorer giver ikke kun et system, der er mere strålingshårdt; på samme tid giver de også mere information om, hvor præcist partiklerne passerede igennem. De giver os også meget god timinginformation, så vi kan bestemme præcis hvornår denne partikel ankom, og takket være de små celler kan den gøre det ved mange kollisioner på samme tid, "fortsætter Andreas Maier, der også arbejder på projektet.

Metal sandwich

For at sikre, at sensorerne er i stand til at gøre dette, i stedet for lange krystaller, holdet bevæger sig væk fra lange krystaller og i stedet bygger sandwich - lag af sensoren vekslende med lag af et tungmetal, såsom bly.

For at teste hver sensor i sandwich, holdet bruger en speciel sondestation, med otte nåle siddende over en vakuumplade. Tallerkenen holder det sarte, og dyrt, siliciumsensorer fast på plads, så nålene kan manøvreres og sænkes for at forbinde med kontaktpuder markeret på hver sensor. De anvender derefter en høj spænding til sensoren for at registrere de data, der skal bruges til at vurdere sensorens kvalitet.

Følsomme instrumenter fortæller teamet, hvad den elektriske strøm, der genereres i sensoren, er, samt et mål kaldet kapacitans. Hvis en af ​​disse løber over et bestemt niveau, sensoren kan ikke bruges, da det vil skabe støj, der forstyrrer dataene fra partikelspor. Hvis støjen er for høj, forskerne kan vurdere, om der er et problem på produktionsniveau. Hvis der findes et problem, de går tilbage til producenterne for at sikre, at det er stryget ud, inden de rigtige sensorer går i produktion. Alle de sensorer, der til sidst bliver brugt, vil gennemgå denne proces, enten på CERN eller på andre institutter.

Optimering af strøm

Måling af strøm er særlig vigtig, fordi det kan have indflydelse på, hvor meget strøm og energi der kræves, når maskinen kører.

"I en ideel verden, sensoren ville ikke vise nogen lækstrøm, men i virkeligheden, urenheder indføres under fremstillingen af ​​disse sensorer. Derfor, den strøm vi måler er en indikator for produktionskvaliteten, "Florian Pitters, et andet medlem af gruppen, forklarer.

Lækstrøm er acceptabel under et bestemt niveau, men det forstærkes, når du tilføjer flere sensorer sammen, og strømforsyningen og kølesystemet skal håndtere en større mængde strøm og spredt varme.

Hvis der er problemer med de sidste sensorer, det kan få hele flisen til at blive kort, gør det ubrugeligt. Så disse tests er afgørende for at sikre, at hele detektorsystemet kører bedst, og at disse komponenter ikke skaber barrierer for fremtidig opdagelse.

"Der har været fejl med ting, som folk bare ikke kunne have vidst, indtil vi testede dem. Vi har et par gange opdaget, at veje, vi havde tænkt os at gå, bare måtte opgives, så vi valgte en ny vej. Sådan foregår forskning, «siger Andreas.