Forbereder for en kraftigere partikkelakselerator

The Large Hadron Collider ved CERN er tilbake i aksjon etter en treårig planlagt teknisk nedleggelsesperiode. Eksperter sirkulerte strålen i den kraftige partikkelakseleratoren i slutten av april, og Run 3-fysikk startet tidlig i juli med den høyeste kollisjonsenergien som noen gang er oppnådd.

LHC-eksperimentene forventer å samle petabyte med data for bedre å forstå naturen i minste skala. Tusenvis av samarbeidspartnere tester standardmodellen for partikkelfysikk og jakter på ny fysikk – ting som supersymmetri, mørk materie eller uoppdagede partikler.

Samtidig fortsetter forskere å forberede seg på neste iterasjon av LHC.

Senere dette tiåret vil forskere begynne å operere med en oppgradert akselerator for High-Luminosity LHC, som vil kollidere flere protoner med mer lysstyrke enn noen gang før. Med det forventer forskerne å se minst fem til syv ganger så mange kollisjoner som de gjør nå. Forskere bygger teknologi for å forbedre detektorene sine slik at de kan håndtere den økte lysstyrken. Detektorene kjører til slutten av 2030 og vil kumulere en faktor på 20 flere data.

CMS-eksperimentet, som co-oppdaget Higgs-bosonet i 2012, sammen med ATLAS-eksperimentet, oppgraderer flere systemer. Hundrevis av mennesker fra universiteter og laboratorier rundt om i verden, inkludert amerikanske institusjoner finansiert av US Department of Energy og National Science Foundation, designer, bygger og installerer de nye detektorkomponentene. Disse teknologiene har som mål å forbedre det eksisterende eksperimentet, som per i dag har vært i drift i mer enn et tiår.

Eksperter gjør oppgraderinger innen seks nøkkelområder: sporingssystemet, tidsdetektoren, triggeren og datainnsamlingssystem, endekappekalorimeter, fatkalorimeter og myonsystem. Disse oppgraderingene betyr at CMS-forskere kan nøyaktig måle og bedre rekonstruere hvordan partikler samhandler i detektoren. Å studere deres oppførsel kan føre til ny innsikt og potensielle oppdagelser om hvordan universet vårt fungerer.

Trackeren

CMS-sporingen kartlegger en partikkels vei gjennom et magnetfelt. Den har to komponenter: en indre pikseldetektor og en ytre stripedetektor, som begge vil bli fullstendig erstattet. Trackeren er det innerste området som skal oppgraderes, nærmest der LHCs protoner kolliderer. Fordi HL-LHC vil kollidere protoner raskere, vil partikkelbaner raskt begynne å hope seg opp.

“Den nye pikseldetektoren har en finere granularitet,” sa Anders Ryd, hovedetterforsker for National Science Foundation-finansierte oppgraderinger og professor ved Cornell University. “Vi trenger høyere hastigheter og høyere granularitet slik at de faktisk kan oppdage hver partikkel. Ellers har du så mange partikler som går gjennom at du bare ser et utstryk.”

Samarbeidspartnere vil legge til åtte disker i den fremre delen av den indre trackeren, og utvide pikseldetektorens dekning. For å håndtere hurtigskytende data, vil teamet sette sammen og legge til tusenvis av små moduler til den ytre sporeren. De vil være utstyrt med sensorer og applikasjonsspesifikke integrerte kretsbrikker som kan begynne å filtrere og redusere dataene umiddelbart, slik at den ytre sporeren kan behandle informasjon med en svimlende hastighet på 40 millioner ganger per sekund.

Timing detektor

CMS-forskere bygger et helt nytt lag utenfor sporeren kalt Minimum Ionizing Particles, eller MIP, timingdetektor. Tidsdetektoren reduserer opphopning, eller et sammenfiltret rot av partikkelbaner, ved å gi forskerne informasjon om når en partikkel kom inn i detektoren. Ved å bruke enestående presisjon i å måle ankomsttidspunktet for partikler vil forskerne kunne skille individuelle baner og rekonstruere dem i 4D.

“Vi legger til et detektorlag som vil gi oss en nøyaktig tidsmåling av individuelle ladede partikler fra LHC-kollisjoner langs deres vei,” sa Patricia McBride, en forsker ved DOEs Fermi National Accelerator Laboratory som, valgt av 3000 fysikere i det internasjonale CMS Samarbeid til rollen, blir leder for samarbeidet tidlig i høst. “Dette vil gi oss informasjon om hvilken type partikkel det er og hvilken primærkollisjon den kom fra. Vi vil kunne bruke rom- og tidsinformasjon for å identifisere de interessante sporene i hendelsen.”

Timingdetektoren er formet som en tønne med to endestykker, og dens lufttette forsegling vil forhindre energitap og holde støv ute. Oppgraderingsteamet designer og bygger nå moduler, elektronikk og programvare for denne tidsdetektoren.

Trigger og datainnsamling

CMS-utløseren velger potensielt interessante kollisjonshendelser og fanger opp relevante data, og forkaster mer vitenskapelig godartede hendelser for å holde datamengden håndterbar. Når den er i drift, vil en av de nye triggerne ta inn informasjon fra den oppgraderte ytre trackeren. Viktigere er at den nye utløseren vil bruke kunstig intelligens og maskinlæring i sin datainnsamling av det store datavolumet som forventes fra LHC-kollisjoner.

“Vi må introdusere noe smarthet i arrangementsutvalget tidlig,” sa Vaia Papadimitriou, som er nestleder for oppgraderingsprosjektet og en forsker ved Fermilab, vertslaboratoriet for US-CMS-samarbeidet. “Dette lar oss redusere mengden data vi trenger å behandle og hjelper oss å eliminere bakgrunnssignaler som vil komme i veien for det vi faktisk prøver å studere.”

Oppgraderinger til datainnsamlingssystemet vil tillate teamet å samle inn data raskere for å holde tritt med de økte LHC-kollisjonsratene.

Kalorimetre

CMS er utstyrt med tønne- og endekappe-kalorimetre, detektorer som måler partiklenes energi.

Endcap-kalorimeteret flankerer de indre detektorene og analyserer partikkeldusjene fra kollisjoner. Det nåværende endedekselkalorimeteret vil bli fullstendig erstattet av et nytt kalorimeter med høy granularitet, eller HGCal, det første i sitt slag som skal brukes i et kollidereksperiment.

Detektoren vil ha utmerket tidsoppløsning og utrolig fin romlig oppløsning, som tillater presis rekonstruksjon av de mange partiklene som produseres. For å bygge den, vil samarbeidspartnere sette sammen titusenvis av moduler med små silisium- eller scintillatorsensorer. Modulene vil danne hundrevis av kassetter, som inneholder de integrerte kretsene og elektronikken som kan håndtere data direkte på detektoren og overføre dem til datainnsamlingssystemet.

Teamet oppgraderer også en del av det elektromagnetiske tønnekalorimeteret. “Vi vil erstatte det vi kaller “front-end elektronikk,” det elektroniske systemet installert der på detektoren, sa Paolo Rumerio, assisterende oppgraderingskoordinator og fysiker ved University of Alabama. Det nye systemet vil være i stand til for å håndtere den økte strømmen av data.

“Disse kalorimetrene vil gi et vell av informasjon som vil gjøre CMS i stand til å rekonstruere energiforekomster, eller dusjer, som kommer fra forskjellige partikler,” sa Rumerio. “Energien og den nøyaktige timingen til hver partikkel kan måles og brukes i dataanalysen.”

Muoner

Å samle informasjon om muoner er avgjørende for CMS, som man kan forvente av navnet: Compact Muon Solenoid. Myonene fra partikkelkollisjoner kan reise ganske langt uten å samhandle, så dette laget av detektoren sitter utenfor kalorimetrene.

Det nye myonsystemet vil ha oppgradert elektronikk, bedre tidsoppløsning og økt evne til å oppdage myoner som kommer fra strålen i et bredere spekter av vinkler. Flere nye elektroniske tavler skal håndtere databehandling og avlesning. Samarbeidspartnere forbedrer også fastvaren og programvaren som brukes til å kontrollere elektronikken på disse kortene.

“MREFC [Major Research Equipment and Facility Construction project] støttede oppgraderinger til de fremre myondetektorene inkluderer ny elektronikk for å støtte de høyere datahastighetene ved HL-LHC, samt avlesning av ny gasselektronmultiplikator detektorer som vil utvide myondetektordekningen nærmere strålelinjen,” sa Ryd. “Disse oppgraderingene vil gi en betydelig forbedring av CMS-muondeteksjonsmulighetene.”

Går videre

I dag er oppgraderinger for CMS-detektoren på forskjellige stadier, men alle vil følge en lignende vei. Etter år med utvikling og prototyping, går samarbeidet nå for å bygge eller anskaffe delene, begynne å produsere systemkomponenter ved forskjellige amerikanske laboratorier, kontrollere dem med strenge tester, og deretter levere dem til eksperimentene ved CERN. Forskere vil installere oppgraderingskomponentene under LHCs tredje lange nedleggelse, foreløpig planlagt å finne sted fra 2026 til 2028.

Når HL-LHC starter opp, vil det økte datavolumet hjelpe forskere med å søke etter sjeldne fysikkprosesser og undersøke Higgs-bosonet videre. Forskere tror Higgs gir mekanismen som alle andre partikler får massen sin med, men forskerne har fortsatt mye å lære om universet ved å studere partikkelen med større presisjon.

“Higgs-bosonet er en så grunnleggende partikkel at det ikke er godt nok å oppdage det,” sa Papadimitriou. “Vi trenger å ha mye utfyllende informasjon for å studere alle egenskapene til Higgs-bosonet. Og fordi Higgs-bosonet er forutsagt av standardmodellen, hvis vi finner noen egenskaper som er forskjellige fra hva standardmodellen forutsier, er det et stort gjennombrudd.”

---

---