Forberedelse til en mere kraftfuld partikelaccelerator

Large Hadron Collider på CERN er tilbage i aktion efter en treårig planlagt teknisk nedlukningsperiode. Eksperter cirkulerede stråle i den kraftige partikelaccelerator i slutningen af ​​april, og Run 3-fysik startede i begyndelsen af ​​juli med den højeste kollisionsenergi nogensinde opnået.

LHC-eksperimenterne forventer at indsamle petabytes af data for bedre at forstå naturen i den mindste skala. Tusindvis af samarbejdspartnere tester standardmodellen for partikelfysik og jagter efter ny fysik – ting som supersymmetri, mørkt stof eller uopdagede partikler.

Samtidig fortsætter forskerne med at forberede sig på den næste iteration af LHC.

Senere i dette årti vil forskere begynde at arbejde med en opgraderet accelerator til High-Luminosity LHC, som vil kollidere flere protoner med mere lysstyrke end nogensinde før. Med det forventer forskerne at se mindst fem til syv gange så mange kollisioner, som de gør nu. Forskere bygger teknologi til at forbedre deres detektorer, så de kan håndtere den øgede lysstyrke. Detektorerne kører indtil udgangen af ​​2030 og vil akkumulere en faktor på 20 flere data.

CMS-eksperimentet, som medopdagede Higgs-bosonen i 2012, sammen med ATLAS-eksperimentet, opgraderer flere systemer. Hundredvis af mennesker fra universiteter og laboratorier rundt om i verden, herunder amerikanske institutioner finansieret af det amerikanske energiministerium og National Science Foundation, designer, bygger og installerer de nye detektorkomponenter. Disse teknologier har til formål at forbedre det eksisterende eksperiment, som i dag har været i drift i mere end et årti.

Eksperter foretager opgraderinger inden for seks nøgleområder:tracker-systemet, timing-detektor, trigger- og dataindsamlingssystem, endekappe-kalorimeter, barrel-kalorimeter og muon-system. Disse opgraderinger betyder, at CMS-forskere præcist kan måle og bedre rekonstruere, hvordan partikler interagerer i detektoren. At studere deres adfærd kan føre til ny indsigt og potentielle opdagelser om, hvordan vores univers fungerer.

Trackeren

CMS-trackeren kortlægger en partikels vej gennem et magnetfelt. Den har to komponenter:en indre pixeldetektor og en ydre strimmeldetektor, som begge vil blive fuldstændig udskiftet. Trackeren er det inderste område, der skal opgraderes, tættest på hvor LHC's protoner støder sammen. Fordi HL-LHC vil kollidere protoner hurtigere, vil partikelbaner hurtigt begynde at hobe sig op.

"Den nye pixeldetektor har en finere granularitet," sagde Anders Ryd, hovedforsker for National Science Foundation-finansierede opgraderinger og professor ved Cornell University. "Vi har brug for højere hastigheder og højere granularitet, så de faktisk kan detektere hver partikel. Ellers har du så mange partikler, der går igennem, at du bare ser en udtværing."

Samarbejdspartnere vil tilføje otte diske i det forreste område af den indre tracker, hvilket udvider pixeldetektorens dækning. For at håndtere de hurtige branddata vil holdet samle og tilføje tusindvis af små moduler til den ydre tracker. De vil være udstyret med sensorer og applikationsspecifikke integrerede kredsløbschips, der kan begynde at filtrere og reducere dataene med det samme, hvilket gør det muligt for den ydre tracker at behandle information med en svimlende hastighed på 40 millioner gange i sekundet.

Tidsdetektor

CMS-forskere bygger et helt nyt lag uden for trackeren kaldet Minimum Ionizing Particles, eller MIP, timing-detektor. Timingdetektoren afbøder ophobning eller et sammenfiltret rod af partikelbaner ved at give forskerne information om, hvornår en partikel trængte ind i detektoren. Brug af hidtil uset præcision i måling af tidspunktet for ankomst af partikler vil give forskere mulighed for at skelne individuelle stier og rekonstruere dem i 4D.

"Vi tilføjer et detektorlag, der vil give os en præcis timingmåling af individuelle ladede partikler fra LHC-kollisioner langs deres vej," sagde Patricia McBride, en videnskabsmand ved DOE's Fermi National Accelerator Laboratory, som er valgt af 3.000 fysikere i det internationale CMS Samarbejde til rollen, bliver leder af samarbejdet tidligt på efteråret. "Dette vil give os information om, hvilken type partikel det er, og hvilken primær kollision den kom fra. Vi vil være i stand til at bruge rum- og tidsinformation til at identificere de interessante spor i begivenheden."

Timingdetektoren er formet som en tønde med to endehætter, og dens lufttætte forsegling vil forhindre energitab og holde støv ude. Opgraderingsteamet designer og bygger nu moduler, elektronik og software til denne tidsdetektor.

Trigger og dataindsamling

CMS-triggeren udvælger potentielt interessante kollisionshændelser og fanger relevante data og kasserer mere videnskabeligt godartede hændelser for at holde mængden af ​​data overskuelig. Når den er operationel, vil en af ​​de nye triggere modtage information fra den opgraderede ydre tracker. Det er vigtigt, at den nye trigger vil anvende kunstig intelligens og maskinlæring i sin dataindsamling af den store mængde data, der forventes fra LHC-kollisioner.

"Vi er nødt til at introducere noget smarthed i begivenhedsudvælgelsen tidligt," sagde Vaia Papadimitriou, som er viceleder for opgraderingsprojektet og en videnskabsmand ved Fermilab, værtslaboratoriet for US-CMS-samarbejdet. "Dette lader os reducere mængden af ​​data, vi skal behandle, og hjælper os med at eliminere baggrundssignaler, der ville komme i vejen for det, vi rent faktisk forsøger at studere."

Opgraderinger til dataindsamlingssystemet vil give teamet mulighed for at indsamle data hurtigere for at holde trit med de øgede LHC-kollisionsrater.

Kalorimetre

CMS er udstyret med tønde- og endekappe-kalorimetre, detektorer, der måler partiklernes energi.

Endcap-kalorimeteret flankerer de indre detektorer og analyserer partikelbygerne fra kollisioner. Det nuværende endekappe-kalorimeter vil blive fuldstændig erstattet af et nyt kalorimeter med høj granularitet eller HGCal, det første af sin slags, der skal bruges ved et kollider-eksperiment.

Detektoren vil have en fremragende tidsopløsning og en utrolig fin rumlig opløsning, som tillader præcis rekonstruktion af de mange producerede partikler. For at bygge det vil samarbejdspartnere samle titusindvis af moduler med små silicium- eller scintillatorsensorer. Modulerne vil danne hundredvis af kassetter, som inkorporerer de integrerede kredsløb og elektronik, der kan håndtere data direkte på detektoren og overføre dem til dataopsamlingssystemet.

Holdet opgraderer også en del af det elektromagnetiske tøndekalorimeter. "Vi vil erstatte det, vi kalder 'front-end-elektronikken," det elektroniske system installeret lige der på detektoren," sagde Paolo Rumerio, viceopgraderingskoordinator og fysiker ved University of Alabama. Det nye system vil være i stand til at at håndtere det øgede dataflow.

"Disse kalorimetre vil give et væld af information, der vil gøre det muligt for CMS at rekonstruere energiaflejringer eller brusere, der kommer fra forskellige partikler," sagde Rumerio. "Energien og den præcise timing af hver partikel kan måles og bruges i dataanalysen."

Muoner

Indsamling af information om muoner er afgørende for CMS, som man kunne forvente af dets navn:Compact Muon Solenoid. Myonerne fra partikelkollisioner kan rejse ret langt uden at interagere, så dette lag af detektoren sidder uden for kalorimetrene.

Det nye myonsystem vil have opgraderet elektronik, bedre tidsopløsning og en øget evne til at detektere myoner, der kommer ud af strålen i et bredere udvalg af vinkler. Flere nye elektroniske tavler skal håndtere databehandling og udlæsning. Samarbejdspartnere forbedrer også firmwaren og softwaren, der bruges til at styre elektronikken på disse tavler.

"MREFC [Major Research Equipment and Facility Construction-projektet] understøttede opgraderinger til de forreste muon-detektorer inkluderer ny elektronik til at understøtte de højere datahastigheder ved HL-LHC, samt udlæsning af nye gaselektronmultiplikatordetektorer, der vil udvide muondetektoren dækning tættere på strålelinjen," sagde Ryd. "Disse opgraderinger vil give en betydelig forbedring af CMS's muon-detektionsfunktioner."

Gå fremad

I dag er opgraderinger til CMS-detektoren på forskellige stadier, men alle vil følge en lignende vej. Efter flere års udvikling og prototyping går samarbejdet nu til at bygge eller erhverve delene, begynde at fremstille systemkomponenter på forskellige amerikanske laboratorier, undersøge dem med strenge tests og derefter levere dem til eksperimenterne på CERN. Forskere vil installere opgraderingskomponenterne under LHC's tredje lange nedlukning, som i øjeblikket er planlagt til at finde sted fra 2026 til 2028.

Når HL-LHC starter op, vil den øgede datamængde hjælpe forskere med at søge efter sjældne fysikprocesser og yderligere undersøge Higgs-bosonen. Forskere mener, at Higgs giver den mekanisme, hvorved alle andre partikler får deres masse, men forskerne har stadig meget at lære om universet ved at studere partiklen med større præcision.

"Higgs-bosonen er så fundamental en partikel, at det ikke er godt nok at opdage det," sagde Papadimitriou. "Vi skal have en masse supplerende information for at kunne studere alle egenskaberne ved Higgs-bosonen. Og fordi Higgs-bosonen forudsiges af standardmodellen, hvis vi finder, at nogen egenskaber er anderledes end hvad standardmodellen forudsiger, er det et stort gennembrud." + Udforsk yderligere

Large Hadron Collider tager de første data i rekordstor kørsel