Sådan får du en partikeldetektor på et fly

Du har muligvis observeret flypassagerer ledsaget af kæledyr eller endda musikinstrumenter på flyvninger. Men har du nogensinde siddet ved siden af ​​en partikeldetektor?

I mere end et år, et lille team ved det amerikanske energiministerium Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har arbejdet på at samle, prøve, og transportdetektorstykker til en opgradering af ALICE (A Large Ion Collider Experiment) detektor array på CERN laboratorium i Europa.

Detektorpaneler kører som 'passagerer'

Berkeley Lab -teamets løsning til at sikre, at hver af disse omhyggeligt samlet, sarte stykker bliver fra punkt A til punkt B intakte:behandl dem som rejseledsagere.

ALICE, et atomfysisk eksperiment, er designet til at kollidere højenergi-blyioner med hinanden og med protoner for at udforske en eksotisk tilstand af superhot-stof kendt som kvark-gluonplasma, der menes at have eksisteret i det tidlige univers.

Berkeley Lab er et af fem steder rundt om i verden, der bygger detektorpaneler (kaldet "stave") til opgraderingsprojektet, hvilket vil forbedre ydeevnen for ALICE -detektorens indre sporingssystem - herunder dens opløsning til at tage øjebliksbilleder af partikelkollisioner, dens holdbarhed, og dataindsamlingshastighed.

Kernefysikforskere ved Berkeley Lab skiftes til at transportere fire lange detektortavler ad gangen i en specialbygget klar beholder udstyret med en skulderrem. Når den er indlæst, den meterlange beholder vejer cirka 25 pund. Stavene er stablet med sekvenser af siliciumchips og tilhørende kredsløb og strømkomponenter.

Hver stav, Berkeley Lab -teamet er ansvarlig for, har otte sensormoduler, og hvert modul er udstyret med 14 sensorer, for i alt 112 sensorer pr. stav.

Dette sæde er taget

"Vi endte med at købe sæder på kommercielle flyvninger til dem, fordi der ikke er nogen anden pålidelig måde at få dem dertil, "sagde Leo Greiner, en personaleforsker i Berkeley Labs Nuclear Science Division, der leder teamet, der arbejder på ALICE -detektoropgraderingskomponenter.

Teamet havde brugt mekaniske modeller af detektormodulerne til at se, hvordan de ville holde sig i et flys lastrum, og de gik ikke godt:Enhederne var synligt beskadigede, med nogle dele, der går i stykker.

"Det var ret klart, at transporten ikke kunne ske på den måde, vi oprindeligt forestillede os, "Sagde Greiner. Så han undersøgte den bedste måde at få stængerne inde i kabinen-et mere beskyttet miljø. Reglerne for køb af et sæde til stængerne ligner dem for dyre musikinstrumenter, som musikere ønsker at bære med hånden på flyet , han sagde.

Det klare, Berkeley Lab-bygget taske er designet til at lette lufthavnssikkerhedskontroller, og lufthavnsrøntgenundersøgelser er ikke et problem, da detektorkomponenterne er designet til at modstå langt mere intens stråling.

En gang ombord på flyet, forskere anmoder om en forlængelse af sikkerhedsselen for sikkert at spænde tasken i det tilstødende sæde. Deres sædvanlige rute er at flyve til Newark eller Washington, D.C., fra San Francisco Bay Area, og derefter til at forbinde til en international flyvning til Genève, Schweiz. Rundrejsen involverer normalt to hele rejsedage og to dage på CERN for at kontrollere, om der er skader på komponenterne.

Medlemmer af Berkeley Lab -teamet har gennemført omkring 14 af disse ture i løbet af det sidste år, med den sidste rejse planlagt til midten af ​​oktober.

Videnskabelig opsøgende gør det let

De usædvanlige håndbagage er ganske en samtale starter, Sagde Greiner.

"Det er det mest fantastiske opsøgende, jeg nogensinde har foretaget, "sagde han." Alle har spørgsmål. "

Nikki Apadula, en projektforsker i Nuclear Science Division og et medlem af ALICE -teamet, der har deltaget i detektorudflugterne, sagde, "Jeg tilbragte en hel tur til Newark ved at bruge bagsiden af ​​sædet til at forklare, hvad partikler gør i detektoren."

Apadula sagde, at de høje rejsebeholdere til tider kan være besværlige. "Det faktum, at disse ting er en meter lange - det er bare akavet. Det er næsten lige så højt som mig."

Andre medlemmer af Berkeley Labs ALICE -detektoropgraderingsteam, herunder forskningsassistenter Erica Zhang og Winston DeGraw, der begge begyndte at arbejde på projektet som undergrads, har været de hyppigste flyers på detektorrejser.

Samling af stængerne

Berkeley Lab-teamet bidrager med 60 detektorstænger til de midterste lag i ALICEs opgraderede ydre tøndetektor-det største bidrag fra et amerikansk laboratorium.

Den færdige detektor vil have syv koncentriske lag, der vil rumme i alt 24, 000 siliciumsensorer til påvisning af partikelinteraktioner. Det er planlagt til installation i marts 2020, og vil være operationel i begyndelsen af ​​2021.

Detektorsamling på Berkeley Lab blev udført i et specielt konstrueret plastvægget renrumsmiljø. Forskere målte og limede omhyggeligt otte detektormoduler til hver stav, med nøjagtighed typisk målt i titalls mikron, eller titusinder af milliontedele af en meter.

Stavene har rør, der tillader koldt vand at cirkulere langs deres længde og forhindre overophedning, og alle materialer - ned til limen, der fastgør detektormodulerne - skal testes for at sikre, at de kan modstå detektormiljøet.

Hver stav har en kileformet kulfiberstøtte langs dens længde, og elektriske aluminiumskomponenter frem for kobber for at tilvejebringe en bedre sporingsopløsning til at fange partikelinteraktionerne, samtidig med at den modstår spærring af stråling, der produceres i partikelkollisioner. I de tidlige faser af projektet brugte Berkeley Lab-teamet kraftige ladede partikelbjælker ved Berkeley Labs 88-tommers cyklotron til at teste holdbarheden af ​​detektormaterialerne, Greiner bemærkede.

Næste generations detektor design

Detektorerne i opgraderingen er baseret på en monolitisk pixeldetektorteknologi - en tidligere generation af denne type detektor blev brugt til STAR (Solenoidal Tracker at RHIC) detektoren ved Brookhaven National Laboratory's Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Berkeley Lab har særlig ekspertise inden for denne type detektorer, Greiner bemærkede, og bidrog til tidlig FoU.

ALICE opgraderingsdetektorer er designet til en længere levetid, kan behandle signaler cirka 10 gange hurtigere end tidligere detektorer, og har en individuel pixelstørrelse på ca. 30 mikron. Den forbedrede opløsning vil give forskere mulighed for bedre at differentiere partikler, der produceres i de indledende blykerner -kollisioner fra dem, der forgrener sig fra partikelforfaldene, der følger disse indledende interaktioner.

"Teknologien er virkelig modnet, "Sagde Greiner." De kan tage data hurtigere, dør ikke så hurtigt, og spilder mindre strøm. "

Andre samlingssteder for de nye detektorer er i Kina, England, Frankrig, Italien, Holland, og Korea. ALICE -samarbejdet tæller omkring 1, 500 forskere fra over 100 fysikinstitutter i 30 nationer. Berkeley Lab -deltagelse i ALICE understøttes af US DOE Office of Science's Office of Nuclear Physics.