Voor de LHCb-detector bij de Large Hadron Collider, de aan de gang zijnde tweede lange stillegging (LS2) van het acceleratorcomplex van CERN zal een periode van metamorfose zijn. Na twee succesvolle dataverzamelingsruns, de detector wordt geüpgraded om de nauwkeurigheid van zijn fysische metingen te verbeteren, waarvan vele de beste ter wereld zijn. Er zullen daarom vijf keer meer botsingen zijn elke keer dat protonenbundels elkaar kruisen in de detector na LS2 en de LHCb-samenwerkingsplannen om de gegevensuitleessnelheid te verhogen van 1 megaHertz naar de maximale interactiefrequentie van de LHC van 40 megaHertz (of elke 25 nanoseconden).

Naast het vervangen van bijna alle elektronica en data-acquisitiesystemen om de enorme toename van dataproductie aan te kunnen, LHCb vervangt zijn volgdetectoren door nieuwe, zoals de sprankelende-vezel-tracker, of sciencefiction. Het is de eerste keer dat zo'n grote tracker, met een kleine granulariteit en hoge ruimtelijke resolutie, is gemaakt met behulp van deze technologie. De SciFi wordt achter de dipoolmagneet van LHCb geplaatst.

Sprankelende vezels, Zoals de naam al doet vermoeden, zijn optische vezels - met een basis van polystyreen, in dit geval - die tientallen fotonen in de blauwgroene golflengte uitzenden wanneer een deeltje ermee in wisselwerking staat. Secundaire scintillatorkleurstoffen zijn aan het polystyreen toegevoegd om het licht te versterken en te verschuiven naar langere golflengten, zodat het op maat gemaakte siliciumfotomultiplicatoren (SiPM) kan bereiken die optisch licht omzetten in elektrische signalen. De technologie is goed getest bij andere experimenten met hoge energie-fysica. De vezels zelf zijn lichtgewicht, ze kunnen licht produceren en doorlaten binnen het venster van 25 nanoseconden en ze zijn voldoende tolerant voor de ioniserende straling die in de toekomst wordt verwacht.

Elke sprankelende vezel waaruit de subdetector bestaat, heeft een diameter van 0,25 mm en een lengte van bijna 2,5 m. De vezels worden verpakt in modules die in drie stations binnen LHCb zullen verblijven, elk gemaakt van vier zogenaamde "detectievlakken", met de fotomultiplicatoren aan de boven- en onderkant van elk vlak. "De vezels zijn nauwgezet onderzocht, gewikkeld in meerlaagse linten, geassembleerd tot detectormodules en grondig getest, " legt Blake Leverington uit, die een deel van het SciFi-project voor LHCb coördineert. "De vezels bieden een single-hit precisie die beter is dan 100 micron en de single-hit efficiëntie over het gebied van de detector is beter dan 99 procent." In totaal, meer dan 10 000 km nauwkeurig gemaakte sprankelende vezels zullen LHCb sieren.

In tegenstelling tot de andere LHC-detectoren, LHCb is asymmetrisch in ontwerp en bestudeert deeltjes die heel dicht bij de bundelpijp vliegen nadat ze zijn geproduceerd in proton-protonbotsingen. Echter, het bedienen van een gevoelige detector zo dicht bij de straalpijp brengt zijn eigen problemen met zich mee. Simulaties tonen aan dat stralingsschade door botsingspuin de vezels die zich het dichtst bij de straalpijp bevinden tot 40 procent donkerder zou maken gedurende de levensduur van LHCb. Dit zou het voor het geproduceerde licht moeilijker maken om door de vezels te worden doorgelaten, maar er wordt verwacht dat de detector desondanks efficiënt blijft.

De fotomultiplicatoren aan de boven- en onderkant van elk SciFi-detectievlak zullen worden gebombardeerd door neutronen die worden geproduceerd in de calorimeters die verder stroomafwaarts zitten. De stralingsschade resulteert in zogenaamde "donkere ruis", waarbij thermisch geëxciteerde elektronen ervoor zorgen dat de SiPM's een signaal produceren dat het signaal van individuele fotonen nabootst. Naast de afscherming tussen de SciFi en de calorimeters, er is een complex koelsysteem ontwikkeld om de SiPM's te koelen. "Metingen hebben aangetoond dat de snelheid van donkere ruis met een factor twee kan worden verminderd voor elke temperatuurdaling van 10 graden Celsius, ", zegt Leverington. De SiPM's zijn gemonteerd op speciale 3D-geprinte titanium cold-bars die worden gekoeld tot -40 graden Celsius.

"Het project heeft bijdragen gekregen van meer dan honderd wetenschappers, studenten, ingenieurs en technici van 17 partnerinstituten in 10 landen, ", zegt Leverington. "We hebben zeven jaar samengewerkt om SciFi tot leven te brengen." de SciFi-modules, services en elektronica worden geassembleerd en geïnstalleerd in de 12 mechanische frames in de montagehal op het LHCb-terrein op punt 8 van de LHC-ring. De installatie van de eerste SciFi-componenten staat gepland voor volgend voorjaar.