De enorme detectoren die een venster bieden op 's werelds kleinste deeltjes zijn klaar voor een upgrade van $ 153 miljoen, en een team van Purdue University-wetenschappers zullen een sleutelrol spelen - het voortzetten van de decennialange erfenis van de universiteit met de historische experimenten bij de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek, of CERN.

In de komende vijf jaar zal de internationale samenwerking zal de gevoeligheid van de Compact Muon Solenoid vertienvoudigen, of CMS, detector, en het voorbereiden om stralingsniveaus te doorstaan ​​die equivalent zijn aan de kern van een kernreactor wanneer CERN de intensiteit van de protonenbundels in de Large Hadron Collider (LHC) verhoogt - de grootste en krachtigste deeltjesversneller ter wereld.

"De stralingsniveaus waarmee de detectoren in deze volgende fase van experimenten worden geconfronteerd, vormen een echte uitdaging. We moeten materialen vinden die deze blootstelling 10 jaar kunnen overleven zonder in stof te veranderen, " zei Matthew Jones, de Purdue-hoogleraar natuurkunde en astronomie die hoofdonderzoeker is van het door de National Science Foundation gefinancierde project onder leiding van Cornell University. "We zitten echt op het randje, en de technologische vooruitgang van dit project zal informatie verstrekken over gebieden die de verkenning van de ruimte overspannen, informatica en optica. Maar ons doel is om de aard van de fundamentele deeltjes te begrijpen waaruit onze wereld is opgebouwd."

Van het verpletteren van deeltjes met bijna de snelheid van het licht tot de ontdekking van het Higgs-deeltje en de viering van de Nobelprijs die daarop volgde, Purdue-onderzoekers hebben de wetenschap voortdurend nagestreefd naast hun internationale collega's bij CERN.

Onderzoekers hopen dat deze volgende fase van het historische deeltjesfysica-experiment de deur opent naar een dieper begrip van fundamentele fysieke mysteries, zoals donkere materie en de oorsprong van het heelal.

"We proberen nieuwe fysica te vinden en de theoretische modellen te testen, " zei Andreas Jung, Purdue hoogleraar natuurkunde en astronomie en co-hoofdonderzoeker van het project. "Als de LHC de intensiteit van de protonenbundels in 2027 verhoogt, het zal een orde van grootte meer geregistreerde botsingen creëren - misschien zelfs nieuwe deeltjes creëren die nog nooit eerder zijn gezien. Tegelijkertijd, de verbeterde detectoren zullen ons in staat stellen meer van deze gebeurtenissen vast te leggen en met een veel betere resolutie dan ooit tevoren."

De CMS-detector is, in essentie, een 14, Een camera van 000 ton met extreem hoge resolutie ter grootte van een kantoorgebouw van vier verdiepingen dat bijna volledig één botsingspunt van de LHC-stralen omringt. Momenteel, het hart van de CMS-detector is uitgerust met een camera met hoge resolutie van 80 miljoen individuele siliciumpixels. Elke 25 nanoseconden gaat het puin van de botsingen van protonen in de bundels door de pixels, en daarbinnen zijn sporen van de levens van elementaire deeltjes die slechts voor een ogenblik worden gecreëerd wanneer de protonen in hun samenstellende delen worden verpletterd.

De CMS-upgrade zal de grootte van elke siliciumpixel verkleinen en tegelijkertijd de detectordekking vergroten, met in totaal 2 miljard siliciumpixels die in het midden van de verbeterde detector moeten worden geplaatst. Net als de camera's op onze telefoons, een sensor met meer pixels zorgt voor scherpere foto's, en de wetenschappers zullen de schepping kunnen zien, bijdragen en indirecte effecten van deze fundamentele deeltjes gedetailleerder dan ooit tevoren.

Purdue is het leidende assemblagecentrum voor de nieuwe siliciumpixelmodules van de binnenste siliciumdetector van het CMS en zal de moduleassemblage bij andere instellingen overzien en coördineren.

In een cleanroom-faciliteit in het Purdue Physics Building, robotapparatuur is geprogrammeerd en getest om de sensoren en printplaten samen te stellen die de pixelmodules vormen. De vereiste precisie is plaatsing binnen 10 micron, of ongeveer een vijfde van de diameter van een mensenhaar, en elektrische verbindingen met hoge dichtheid met 10 draden per millimeter.

"Dit is de derde generatie van de CMS-detector, en we zijn vanaf het begin betrokken geweest bij de productie van de siliciumpixelmodules, " zei Jones. "Naast precisierobotica, we profiteren van alle vooruitgang op het gebied van geïntegreerde schakelingen en computertechnologie van de afgelopen 10 jaar. Bijvoorbeeld, elke sensor heeft veel meer geheugen, dus een beeld kan in de sensor worden opgeslagen totdat we klaar zijn om het uit te lezen."

Purdue zal ook de grote koolstofvezelstructuren ontwerpen en produceren die de volledige trackingpixeldetector ondersteunen. Ze krijgen niet alleen te maken met extreme stralingsniveaus, de op maat ontworpen apparatuur moet ook extreem licht zijn, sterk en warmtegeleidend. De constructies moeten 50 keer hun gewicht kunnen dragen om aan de specificaties te voldoen.

"De koolstofvezelstructuren die we ontwerpen, moeten licht zijn, sterk en geleidt snel alle warmte die wordt gegenereerd weg van de detector, " zei Abraham Mathew Koshy, een promovendus in de onderzoeksgroep van Jung. "We moeten verschillende technologieën aanpassen aan onze behoeften en nieuwe meettechnieken ontwikkelen. Wat we doen zal niet alleen de deeltjesfysica ten goede komen, het kan worden gebruikt in de techniek van vliegtuigen of ruimtevaartuigen of zelfs om items die we elke dag gebruiken te verbeteren.

"Voor mij, het beste van werken in de natuurkunde is dat het een mengeling van alles is. Het biedt inzicht in de wereld en een manier om het wetenschappelijk uit te leggen."

De LHC bij CERN biedt een cruciale mogelijkheid om belangrijke vragen te beantwoorden over de elementaire bestanddelen van materie en de fundamentele krachten die hun gedrag op het meest basale niveau beheersen. Vanaf maart 2010, toen de eerste proton-protonbotsingen plaatsvonden, de energie van de versneller werd gestaag verhoogd om het massabereik bij het zoeken naar nieuwe deeltjes te vergroten. Er wordt aangenomen dat het ongekende energiebereik en de gevoeligheid van de LHC in combinatie met de speciale mogelijkheden van het CMS-experiment zal leiden tot een doorbraak in ons begrip van de natuur, zei Jung.

Norbert Neumeister, Purdue hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde, is de groepsleider van het CMS-experiment bij Purdue en hoofdonderzoeker van het door het Department of Energy gefinancierde CMS-onderzoek gericht op de analyse van de enorme hoeveelheden gegevens.

"De LHC produceert jaarlijks ongeveer 15 petabyte aan data, of het equivalent van ongeveer 3 miljoen dvd's per jaar, die duizenden wetenschappers over de hele wereld openen en analyseren, "Zei Neumeister. "Deze enorme dataset heeft de CMS-samenwerking in staat gesteld een breed scala aan deeltjesfysica-fenomenen te onderzoeken."

De LHC zal in 2021 opnieuw gaan werken en gegevens verzamelen, tegelijkertijd werkt het team aan de detectorupgrades voor de volgende fase van het experiment.