Opgradering af ALICE:Hvad venter de næste to år?

Med massive røde døre på 350 ton hver, det tager mere end at sige "åben sesam" for at åbne ALICE -detektoren. Bag dørene ligger de indre funktioner i en unik detektor bygget til at studere forholdene i stof øjeblikke efter universets fødsel, forhold, der genskabes i LHC.

Da CERN -acceleratorkomplekset blev slukket i december 2018, forskere og teknikere trådte ind i ALICE -hulen, 56 meter under jorden, at åbne den massive afskærmning omkring magneten og at starte arbejdet med detektoren. Dette vedligeholdelses- og opgraderingsarbejde vil vare to år, den tid, CERN har afsat til en teknisk pause kaldet Long Shutdown 2 (LS2). For ALICE, LS2 -aktiviteterne startede i et hurtigt tempo, med et komplet program planlagt af opgraderinger eller udskiftninger af subdetektorer samt af trigger- og dataindsamlingssystemer.

ALICE er dedikeret til undersøgelsen af ​​kvark-gluonplasma (QGP), en tilstand, der hersker i de første øjeblikke af universet. Ved at kollidere partikler, nemlig protoner og blykerner, fra Large Hadron Collider (LHC), ALICE kan høste data ved højenergigrænsen.

Øget lysstyrke, først i 2021 og senere i projektet High-Luminosity LHC (HL-LHC), vil åbne op for en række muligheder og udfordringer for ALICE. En stigning i lysstyrken-et mål for antallet af kollisioner pr. Tidsenhed-vil gøre det muligt for ALICE at studere sjældne fænomener og udføre højpræcisionsmålinger, kaster lys over termodynamikken, udvikling og flow af QGP, samt om kvark- og gluoninteraktioner.

Under denne opgradering, et strålerør med mindre diameter vil erstatte ALICEs eksisterende. Inde i bjælkerøret, partikler bevæger sig med næsten lysets hastighed og smadrer sammen inde i detektorens kerne, genererer mange nye partikler. Forskere er interesserede i at bestemme placeringen af ​​interaktionspunktet, og reducering af strålerørets diameter forbedrer denne måling med en faktor tre i forhold til den foreliggende detektor. ALICE vil også blive bedre til at opdage partikler med en kortere levetid, dvs. dem, der henfalder tættere på interaktionspunktet.

Behovet for et nyt bjælkerør er forbundet med udskiftning af det indre sporingssystem (ITS), som omgiver det. Det nye ITS bliver udstyret med innovative, kompakte pixelsensorchips. Dette sporingssystem måler egenskaberne af partiklerne, der kommer fra kollisionerne, så det skal være hurtigtvirkende og finkornet for at håndtere de højere kollisionshastigheder i fremtiden. Det nye system vil dramatisk forbedre detektorens evne til at lokalisere og rekonstruere partikelbanerne.

Sensoren og aflæsningschips, der er indbygget i det samme stykke silicium til det nye indre sporingssystem, vil også blive anvendt i muon forward tracker (MFT), som sporer muoner tæt på bjælkerøret. Dette lover fremragende rumlig opløsning, gør ALICE ikke kun mere følsom over for flere målinger, men også i stand til at få adgang til nye i øjeblikket uden for rækkevidde.

En større opgradering af ALICE -tidsprojektionskammeret (TPC), en cylinder på 88 kubikmeter fyldt med gas- og aflæsningsdetektorer, der følger partiklers baner i 3-D, er også i gang. Ladede partikler, der sprøjter ud fra kollisionspunktet, ioniserer gassen langs deres vej, frigørende skyer af elektroner, der driver mod cylinderens endeplader. Disse udgør et signal, der forstærkes og derefter læses. Den aktuelle aflæsning, baseret på multi-wire proportional-kammer teknologi, vil ikke være i stand til at klare øgede interaktionshastigheder, så det vil blive erstattet med multi-stage gaselektronmultiplikator (GEM) kamre. Denne opgradering vil øge detektoren for detektoren med cirka to størrelsesordener.

Ud over, en ny hurtig interaktion trigger detektor (FIT) vil detektere partikler, der spredes med en lille vinkel i forhold til stråleretningen og vil erstatte tre aktuelle trigger detektorer. Det fjerner uønskede signaler, herunder vekselvirkninger af bjælken med restgassen i bjælkerøret.

En faktor på 100 gevinst i statistik

Som en konsekvens af den øgede lysstyrke og interaktionshastighed, en betydeligt større mængde data skal behandles og vælges. Mere kraftfuld elektronik, databehandlings- og computersystemer er derfor designet til at opretholde høj gennemstrømning og ydeevne. ALICE -samarbejdet installerer i øjeblikket et nyt datacenter over jorden for at forbedre computerkapaciteten. Når det nye LHC -løb starter i 2021, den markant forbedrede detektor vil tilbyde en faktor på 100 gevinst i statistik.

Når ALICE's magnetdøre lukker igen i sommeren 2020, de vil skjule et endnu mere kraftfuldt instrument, klar til at gå i gang med flere kollisioner og mere datatagning.