Forskere på den blødende kant med opgradering til CMS-detektor

De enorme detektorer, der giver et vindue til verdens mindste partikler, er klar til en opgradering på 153 millioner dollars, og et hold af Purdue University-videnskabsmænd vil spille en nøglerolle - at fortsætte universitetets årtier lange arv med de historiske eksperimenter hos European Organisation for Nuclear Research, eller CERN.

I løbet af de næste fem år, det internationale samarbejde vil ti gange forbedre følsomheden af ​​Compact Muon Solenoid, eller CMS, detektor, og forberede den til at udholde strålingsniveauer svarende til kernen i en atomreaktor, når CERN øger intensiteten af ​​protonstrålerne i Large Hadron Collider (LHC) - den største og mest kraftfulde partikelaccelerator i verden.

"De niveauer af stråling, som detektorerne vil møde i denne næste fase af eksperimenter, udgør en reel udfordring. Vi er nødt til at finde materialer, der vil overleve denne eksponering i 10 år uden at blive til støv, " sagde Matthew Jones, Purdue-professoren i fysik og astronomi, som er hovedforsker på det National Science Foundation-finansierede projekt ledet af Cornell University. "Vi er virkelig på den blødende kant, og de teknologiske fremskridt fra dette projekt vil informere felter, der spænder over rumudforskning, datalogi og optik. Men vores mål er at forstå naturen af ​​de fundamentale partikler, som vores verden er bygget af."

Fra at smadre partikler ved næsten lysets hastighed til opdagelsen af ​​Higgs-partiklen og fejringen af ​​Nobelprisen, der fulgte, Purdue-forskere har vedholdende forfulgt videnskaben sammen med deres internationale kolleger på CERN.

Forskere håber, at denne næste fase af det historiske partikelfysiske eksperiment åbner døren til en dybere forståelse af grundlæggende fysiske mysterier, som mørkt stof og universets oprindelse.

"Vi forsøger at finde ny fysik og teste de teoretiske modeller, "sagde Andreas Jung, Purdue professor i fysik og astronomi og co-principal investigator på projektet. "Når LHC øger intensiteten af ​​protonstrålerne i 2027, det vil skabe en størrelsesorden flere registrerede kollisioner - måske endda skabe nye partikler, som aldrig før er set. På samme tid, de opgraderede detektorer vil give os mulighed for at fange flere af disse begivenheder og med meget bedre opløsning end nogensinde før."

CMS-detektoren er, i det væsentlige, en 14, 000 tons ekstremt højopløsningskamera på størrelse med en fire-etagers kontorbygning, der næsten fuldstændigt omgiver ét kollisionspunkt for LHC-strålerne. I øjeblikket, hjertet af CMS-detektoren er udstyret med et højopløsningskamera på 80 millioner individuelle siliciumpixels. Hvert 25. nanosekund passerer affald fra kollisioner af protoner i strålerne gennem pixels, og inden i den er der spor af elementarpartiklernes liv, der kun skabes et øjeblik, da protonerne bliver knust i deres bestanddele.

CMS-opgraderingen vil formindske størrelsen af ​​hver siliciumpixel og samtidig udvide detektordækningen, med i alt 2 milliarder siliciumpixels, der skal placeres i midten af ​​den opgraderede detektor. Ligesom kameraerne på vores telefoner, en sensor med flere pixels giver skarpere billeder, og forskerne vil være i stand til at se skabelsen, bidrag og indirekte virkninger af disse fundamentale partikler mere detaljeret end nogensinde før.

Purdue er det ledende montagecenter for de nye siliciumpixelmoduler i den indre siliciumdetektor i CMS og vil overvåge og koordinere modulsamlingen på andre institutioner.

I et renrumsanlæg i Purdue Physics Building, robotudstyr er blevet programmeret og testet til at sammensætte de sensorer og printkort, der udgør pixelmodulerne. Den nødvendige præcision er placering inden for 10 mikron, eller omkring en femtedel af diameteren af ​​et menneskehår, og højdensitet elektriske forbindelser med 10 ledninger pr. millimeter.

"Dette er tredje generation af CMS-detektoren, og vi har været involveret i fremstillingen af ​​silicium pixel moduler siden begyndelsen, " sagde Jones. "Ud over præcisionsrobotik, vi drager fordel af alle fremskridt inden for integrerede kredsløb og computerteknologi gennem de sidste 10 år. For eksempel, hver sensor vil have meget mere hukommelse, så et billede kan gemmes i sensoren, indtil vi er klar til at læse det op. "

Purdue vil også designe og fremstille de store kulfiberstrukturer, der understøtter hele tracking-pixeldetektoren. Ikke alene vil de stå over for ekstreme niveauer af stråling, det specialdesignede udstyr skal også være ekstremt let, stærk og termisk ledende. Strukturerne skal kunne bære 50 gange deres vægt for at opfylde specifikationerne.

"De kulfiberstrukturer, vi designer, skal være lette, stærk og hurtigt leder al varme, der genereres væk fra detektoren, " sagde Abraham Mathew Koshy, en ph.d.-studerende i Jungs forskningsgruppe. "Vi er nødt til at tilpasse forskellig teknologi til vores behov og udvikle nye måleteknikker. Det, vi gør, vil ikke kun gavne partikelfysikken, det kan bruges i fly- eller rumfartøjsteknik eller endda til at forbedre genstande, vi bruger hver dag.

"For mig, det bedste ved at arbejde med fysik er, at det er en blanding af alting. Det giver en forståelse af verden og en måde at forklare den på videnskabeligt."

LHC ved CERN giver en afgørende evne til at besvare vigtige spørgsmål om de elementære bestanddele af stoffet og de grundlæggende kræfter, der styrer deres adfærd på det mest basale niveau. Fra marts 2010, da de første proton-proton-kollisioner fandt sted, acceleratorens energi blev støt øget for at forstørre masseudbredelsen i søgen efter nye partikler. Det menes, at LHC'ens hidtil usete energiområde og følsomhed kombineret med CMS-eksperimentets særlige egenskaber vil føre til et gennembrud i vores forståelse af naturen, sagde Jung.

Norbert Neumeister, Purdue fysik og astronomi professor, er gruppeleder for CMS-eksperimentet hos Purdue og hovedefterforsker af Department of Energy-finansieret CMS-forskning med fokus på analyse af de enorme mængder data.

"LHC producerer omkring 15 petabyte data årligt, eller hvad der svarer til omkring 3 millioner dvd'er om året, som tusinder af videnskabsmænd rundt om i verden får adgang til og analyserer, " sagde Neumeister. "Dette massive datasæt har gjort det muligt for CMS-samarbejdet at udforske en bred vifte af partikelfysiske fænomener."

LHC vil genstarte sin drift og indsamle data i 2021, samtidig arbejder holdet på detektoropgraderingerne til næste fase af eksperimentet.