LHCb ser på fremtiden med SciFi-detektor

Til LHCb-detektoren ved Large Hadron Collider, den igangværende anden lange nedlukning (LS2) af CERNs acceleratorkompleks vil være en periode med metamorfose. Efter to vellykkede dataindsamlingskørsler, detektoren opgraderes for at forbedre præcisionen af ​​dens fysiske målinger, hvoraf mange er de bedste i verden. Der vil derfor være fem gange flere kollisioner hver gang protonbunker krydser inden for detektoren efter LS2 og LHCb-samarbejdsplanerne om at øge datalæsningshastigheden fra 1 megaHertz til LHCs maksimale interaktionsfrekvens på 40 megaHertz (eller hvert 25. nanosekund).

Ud over at udskifte næsten alle elektronik- og dataindsamlingssystemer til at håndtere den enorme stigning i dataproduktion, LHCb erstatter sine sporingsdetektorer med nye, såsom scintillating-fiber tracker, eller SciFi. Det er første gang en så stor tracker, med en lille granularitet og høj rumlig opløsning, er blevet lavet ved hjælp af denne teknologi. SciFi vil blive placeret bag dipolmagneten til LHCb.

Scintillerende fibre, som navnet antyder, er optiske fibre - med en polystyrenbase, i dette tilfælde-der udsender snesevis af fotoner i den blågrønne bølgelængde, når en partikel interagerer med dem. Sekundære scintillatorfarvestoffer er blevet føjet til polystyren for at forstærke lyset og flytte det til længere bølgelængder, så det kan nå specialfremstillede siliciumfotomultiplikatorer (SiPM), der konverterer optisk lys til elektriske signaler. Teknologien er blevet godt testet ved andre eksperimenter med høj energi-fysik. Selve fibrene er lette, de kan producere og transmittere lys inden for vinduet på 25 nanosekunder, og de er passende tolerante over for den forventede ioniserende stråling i fremtiden.

Hver scintillerende fiber, der udgør sub-detektoren, er 0,25 mm i diameter og næsten 2,5 m i længden. Fibrene vil blive pakket i moduler, der vil ligge på tre stationer i LHCb, hver består af fire såkaldte "detektionsplan", med fotomultiplikatorerne placeret i toppen og bunden af ​​hvert plan. "Fibrene er blevet grundigt undersøgt, viklet ind i flerlagsbånd, samlet i detektormoduler og grundigt testet, "forklarer Blake Leverington, der koordinerer en del af SciFi-projektet for LHCb. "Fibrene giver en single-hit præcision bedre end 100 mikron, og single-hit effektiviteten over detektorens område er bedre end 99 procent." I alt, over 10 000 km præcisionsfremstillede scintillationsfibre vil pryde LHCb.

I modsætning til de andre LHC-detektorer, LHCb er asymmetrisk i design og studerer partikler, der flyver meget tæt på strålerøret efter at være produceret i proton -proton -kollisioner. Imidlertid, Betjening af en følsom detektor så tæt på bjælkerøret medfører sine egne problemer. Simuleringer viser, at strålingsskader fra kollisionsrester ville mørkere fibrene tættest på bjælkerøret med op til 40 procent i løbet af LHCb's levetid. Dette ville gøre det sværere for det producerede lys at blive transmitteret gennem fibrene, men detektoren forventes at forblive effektiv på trods af dette.

Fotomultiplikatorerne placeret øverst og nederst på hvert SciFi -detektionsplan bliver bombarderet af neutroner produceret i kalorimetrene, der sidder længere nedstrøms. Strålingsskaden resulterer i såkaldt "mørk støj", hvor termisk eksiterede elektroner får SiPM'erne til at producere et signal, der efterligner signalet fra individuelle fotoner. Ud over afskærmning placeret mellem SciFi og kalorimetrene, et komplekst kølesystem er blevet udviklet til at køle SiPM'erne. "Målinger har vist, at hastigheden af ​​mørk støj kan reduceres med en faktor to for hver 10 grader Celsius temperaturfald, "påpeger Leverington. SiPM'erne er blevet monteret på specielle 3-D-trykte titankoldstænger, der afkøles til -40 grader Celsius.

"Projektet har haft bidrag fra mere end hundrede forskere, studerende, ingeniører og teknikere fra 17 partnerinstitutter i 10 lande, " siger Leverington. "Vi har arbejdet sammen i syv år for at bringe SciFi til live." I øjeblikket, SciFi -modulerne, tjenester og elektronik samles og installeres i de 12 mekaniske rammer i montagehallen på LHCb-stedet ved punkt 8 i LHC-ringen. De første SciFi-komponenter er planlagt til at blive installeret i foråret næste år.