Je hebt misschien vliegtuigpassagiers geobserveerd die vergezeld waren van huisdieren of zelfs muziekinstrumenten op vluchten. Maar heb je ooit naast een deeltjesdetector gezeten?

Al meer dan een jaar, een klein team van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy heeft gewerkt aan het assembleren, toets, en transporteer detectorstukken voor een upgrade van de ALICE (A Large Ion Collider Experiment) detectorarray in het CERN-laboratorium in Europa.

Detectorpanelen rijden als 'passagiers'

De oplossing van het Berkeley Lab-team om ervoor te zorgen dat elk van deze zorgvuldig geassembleerde, delicate stukken komen van punt A naar punt B intact:behandel ze als reisgenoten.

ALICE, een kernfysisch experiment, is ontworpen om hoogenergetische loodionen met elkaar en met protonen te laten botsen om een ​​exotische staat van superhete materie, bekend als quark-gluonplasma, te onderzoeken waarvan wordt aangenomen dat deze in het vroege universum heeft bestaan.

Berkeley Lab is een van de vijf locaties over de hele wereld die detectorpanelen (de zogenaamde "staves") bouwt voor het upgradeproject, wat de prestaties van het interne volgsysteem van de ALICE-detector zal verbeteren, inclusief de resolutie om snapshots te maken van deeltjesbotsingen, zijn duurzaamheid, en gegevensverzamelingssnelheid.

Kernfysica-onderzoekers van Berkeley Lab vervoeren om de beurt vier lange detectorstaven tegelijk in een op maat gemaakte doorzichtige container uitgerust met een schouderriem. Wanneer geladen, de meterlange container weegt ongeveer 25 pond. De duigen zijn gestapeld met reeksen siliciumchips en gerelateerde circuits en stroomcomponenten.

Elke staaf waarvoor het Berkeley Lab-team verantwoordelijk is, heeft acht sensormodules, en elke module is uitgerust met 14 sensoren, voor een totaal van 112 sensoren per notenbalk.

Deze stoel is bezet

"Uiteindelijk hebben we stoelen op commerciële vluchten voor hen gekocht omdat er geen andere betrouwbare manier is om ze daar te krijgen. " zei Leo Greiner, een stafwetenschapper in de Nuclear Science Division van Berkeley Lab die het team leidt dat werkt aan de upgradecomponenten van de ALICE-detector.

Het team had mechanische modellen van de detectormodules gebruikt om te zien hoe ze zich zouden houden in het vrachtruim van een vliegtuig, en het ging niet goed:de eenheden waren zichtbaar beschadigd, waarbij sommige onderdelen afbreken.

"Het was vrij duidelijk dat het transport niet kon gebeuren op de manier die we oorspronkelijk voor ogen hadden, " zei Greiner. Dus hij deed onderzoek naar de beste manier om de duigen in de cabine te krijgen - een meer beschermde omgeving. De regels voor het kopen van een stoel voor de duigen zijn vergelijkbaar met die voor dure muziekinstrumenten die muzikanten met de hand in het vliegtuig willen dragen , hij zei.

de duidelijke, De door Berkeley Lab gebouwde draagtas is ontworpen voor het gemak van veiligheidsinspecties op luchthavens, en röntgenscans op luchthavens zijn geen probleem, aangezien de componenten van de detector zijn ontworpen om veel intensere straling te weerstaan.

Eenmaal aan boord van het vliegtuig, onderzoekers vragen om een ​​gordelverlenging om de draagtas veilig in de aangrenzende stoel te gespen. Hun gebruikelijke route is om naar Newark of Washington te vliegen, gelijkstroom, uit de San Francisco Bay Area, om vervolgens over te stappen op een internationale vlucht naar Genève, Zwitserland. De rondreis omvat meestal twee volledige reisdagen en twee dagen bij CERN om te controleren op eventuele schade aan de componenten.

Leden van het Berkeley Lab-team hebben het afgelopen jaar ongeveer 14 van deze reizen gemaakt, met de laatste reis gepland voor half oktober.

Wetenschapsbereik gemakkelijk gemaakt

De ongewone handbagage is nogal een gespreksaanzet, zei Greiner.

"Het is de meest fantastische outreach die ik ooit heb gedaan, ' zei hij. 'Iedereen heeft vragen.'

Nikki Apadula, een projectwetenschapper in de Nuclear Science Division en een lid van het ALICE-team dat heeft deelgenomen aan de detectorexcursies, zei, "Ik heb een hele reis naar Newark doorgebracht met de achterkant van de stoel om uit te leggen wat deeltjes in de detector doen."

Apadula zei dat de hoge reiscontainers soms omslachtig kunnen zijn. 'Het feit dat deze dingen een meter lang zijn, is gewoon onhandig. Het is bijna net zo lang als ik.'

Andere leden van het ALICE-detectorupgradeteam van Berkeley Lab, waaronder onderzoeksassistenten Erica Zhang en Winston DeGraw, die beiden als student aan het project begonnen te werken, waren de meest frequente flyers op de detectorreizen.

Montage van de duigen

Het Berkeley Lab-team draagt ​​60 detectorstaven bij voor de middelste lagen van ALICE's opgewaardeerde buitenste vatdetector - de grootste bijdrage van een Amerikaans laboratorium.

De voltooide detector zal zeven concentrische lagen hebben die in totaal 24 kunnen bevatten, 000 siliciumsensoren voor het detecteren van deeltjesinteracties. Het is gepland voor installatie in maart 2020, en zal begin 2021 operationeel zijn.

De montage van de detector bij Berkeley Lab werd uitgevoerd in een speciaal geconstrueerde cleanroom-omgeving met plastic wanden. Onderzoekers hebben zorgvuldig acht detectormodules gemeten en op elke staaf gelijmd, met een nauwkeurigheid die doorgaans wordt gemeten in tientallen microns, of tientallen miljoensten van een meter.

De duigen zijn voorzien van buizen die koel water over hun lengte laten circuleren en oververhitting voorkomen, en alle materialen - tot aan de lijm waarmee de detectormodules zijn bevestigd - moeten worden getest om er zeker van te zijn dat ze bestand zijn tegen de detectoromgeving.

Elke duig heeft een wigvormige steun van koolstofvezel over de lengte, en aluminium elektrische componenten in plaats van koper om een ​​betere volgresolutie te bieden om de deeltjesinteracties vast te leggen en tegelijkertijd het spervuur ​​​​van straling te weerstaan ​​dat wordt geproduceerd bij deeltjesbotsingen. In de vroege stadia van het project gebruikte het Berkeley Lab-team krachtige bundels van geladen deeltjes in Berkeley Lab's 88-inch Cyclotron om de duurzaamheid van de detectormaterialen te testen. merkte Greiner op.

Detectorontwerp van de volgende generatie

De detectoren in de upgrade zijn gebaseerd op een monolithische pixeldetectortechnologie - een eerdere generatie van dit type detector werd gebruikt voor de STAR-detector (Solenoidal Tracker bij RHIC) in de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) van Brookhaven National Laboratory. Berkeley Lab heeft bijzondere expertise in dit type detector, Greiner merkte op, en heeft bijgedragen aan vroege R&D.

De ALICE upgrade detectoren zijn ontworpen voor een langere levensduur, kan signalen ongeveer 10 keer sneller verwerken dan eerdere detectoren, en hebben een individuele pixelgrootte van ongeveer 30 micron. De verbeterde resolutie stelt onderzoekers in staat om deeltjes die worden geproduceerd in de eerste botsingen van loodkernen beter te onderscheiden van deeltjes die vertakken van het deeltjesverval dat op deze initiële interacties volgt.

"De technologie is echt volwassen geworden, "Zei Greiner. "Ze kunnen sneller gegevens verzamelen, ga niet zo snel dood, en minder stroom afgeven."

Andere montagelocaties voor de nieuwe detectoren zijn in China, Engeland, Frankrijk, Italië, Nederland, en Korea. De ALICE-samenwerking telt ongeveer 1, 500 wetenschappers van meer dan 100 natuurkundige instituten in 30 landen. De deelname van Berkeley Lab aan ALICE wordt ondersteund door het Office of Nuclear Physics van het Amerikaanse DOE Office of Science.