Soms vragen grote vragen om grote hulpmiddelen. Dat is de reden waarom een ​​wereldwijde gemeenschap van wetenschappers gigantische detectoren heeft ontworpen en gebouwd om de hoogenergetische deeltjesbotsingen te volgen die worden gegenereerd door CERN's Large Hadron Collider in Genève, Zwitserland. Van deze botsingen wetenschappers kunnen in de voetsporen treden van de oerknal en op zoek gaan naar nieuwe eigenschappen van de natuur.

Het CMS-experiment is zo'n detector. In 2012, het ontdekte samen met zijn zusterexperiment het ongrijpbare Higgs-deeltje, ATLAS. Nutsvoorzieningen, CMS-wetenschappers willen verder gaan dan de bekende natuurwetten en zoeken naar nieuwe fenomenen die kunnen helpen bij het beantwoorden van fundamentele vragen over ons universum. Maar om dit te doen, de CMS-detector had een upgrade nodig.

"Net als elk ander elektronisch apparaat, na verloop van tijd slijten delen van onze detector, " zei Steve Nahn, een onderzoeker bij Fermilab van het Amerikaanse ministerie van Energie en de Amerikaanse projectmanager voor de upgrades van de CMS-detector. "We hebben deze upgrade gepland en ontworpen sinds kort nadat ons experiment in 2010 voor het eerst gegevens begon te verzamelen."

De CMS-detector is gebouwd als een gigantische ui. Het bevat lagen instrumenten die het traject volgen, energie en momentum van deeltjes geproduceerd in de botsingen van de LHC. De overgrote meerderheid van de sensoren in de enorme detector is in het midden verpakt, binnen wat de pixeldetector wordt genoemd. De CMS-pixeldetector maakt gebruik van sensoren zoals die in digitale camera's, maar met een razendsnelle sluitertijd:in drie dimensies, ze maken elke seconde 40 miljoen foto's.

De laatste jaren, wetenschappers en ingenieurs van Fermilab en 21 Amerikaanse universiteiten hebben een nieuwe pixeldetector geassembleerd en getest om de huidige te vervangen als onderdeel van de CMS-upgrade, met financiering van het Department of Energy Office of Science en de National Science Foundation.

De pixeldetector bestaat uit drie secties:de binnenste loopsectie en twee eindkappen die de voorwaartse pixeldetectoren worden genoemd. De gelaagde en blikachtige structuur geeft wetenschappers een bijna volledige dekkingssfeer rond het botsingspunt. Omdat de drie pixeldetectoren als drie dikke armbanden op de straalpijp passen, ingenieurs ontwierpen elk onderdeel als twee halve manen, die tijdens het inbrengen in elkaar klikken om een ​​ring rond de balkbuis te vormen.

Overuren, wetenschappers hebben de snelheid van deeltjesbotsingen bij de LHC verhoogd. Alleen al in 2016 de LHC produceerde ongeveer net zoveel botsingen als in de drie jaar van zijn eerste run. Om onderscheid te kunnen maken tussen tientallen gelijktijdige botsingen, CMS had een gloednieuwe pixeldetector nodig.

De upgrade bevat nog meer sensoren in het hart van de CMS-detector. Het is alsof CMS is overgestapt van een 66 megapixel camera naar een 124 megapixel camera.

Elk van de twee voorwaartse pixeldetectoren is een mozaïek van 672 siliciumsensoren, robuuste elektronica en bundels kabels en optische vezels die elektriciteit en instructies voeden en ruwe data afvoeren, volgens Marco Verzocchi, een Fermilab-onderzoeker op het CMS-experiment.

de meerdelige, De 6,5 meter lange pixeldetector is net zo delicaat als rauwe spaghetti. Het installeren van de nieuwe componenten in een opening ter grootte van een mangat vereiste meer dan alleen finesse. Het vergde maanden van planning en extreme coördinatie.

"We hebben deze installatie vele malen geoefend op mock-ups van onze detector, " zei Greg Derylo, een ingenieur bij Fermilab. "Tegen de tijd dat we bij de eigenlijke installatie waren, we wisten precies hoe we dit nieuwe onderdeel in het hart van CMS moesten schuiven."

Het moeilijkste was het manoeuvreren van de delicate componenten rond de reeds bestaande structuren in het CMS-experiment.

"In totaal, de volledige driedelige pixeldetector bestaat uit zes afzonderlijke segmenten, die als een driedimensionale cilindrische puzzel in elkaar passen rond de straalpijp, " zei Stephanie Timpone, een Fermilab-ingenieur. "Het was een goed gechoreografeerde dans om de stukken in de juiste posities en in de juiste volgorde te plaatsen zonder een van de reeds bestaande steunen en beschermingen aan te raken."

Voor ingenieurs als Timpone en Derylo, het installeren van de pixeldetector was de laatste stap van een proces van zes jaar. Maar voor de wetenschappers die aan het CMS-experiment werken, het was nog maar het begin.

"Nu moeten we het laten werken, " zei Stefanos Leontsinis, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Colorado, Kei. "We zullen de komende weken de componenten testen en ons voorbereiden op de herstart van de LHC."