De Large Hadron Collider bij CERN is weer in actie na een geplande technische stilleggingsperiode van drie jaar. Experts circuleerden eind april een bundel in de krachtige deeltjesversneller en de natuurkunde van Run 3 begon begin juli met de hoogste botsingsenergie die ooit is bereikt.

De LHC-experimenten verwachten petabytes aan gegevens te verzamelen om de natuur op de kleinste schaal beter te begrijpen. Duizenden medewerkers testen het standaardmodel van deeltjesfysica en jagen op nieuwe fysica, zoals supersymmetrie, donkere materie of onontdekte deeltjes.

Tegelijkertijd blijven onderzoekers zich voorbereiden op de volgende iteratie van de LHC.

Later dit decennium zullen wetenschappers beginnen te werken met een verbeterde versneller voor de High-Luminosity LHC, die meer protonen zal botsen met meer helderheid dan ooit tevoren. Hiermee verwachten wetenschappers minstens vijf tot zeven keer zoveel botsingen te zien als nu. Onderzoekers bouwen technologie om hun detectoren te verbeteren, zodat ze de toegenomen helderheid aankunnen. De detectoren lopen tot het einde van de 2030 en zullen een factor 20 extra gegevens verzamelen.

Het CMS-experiment, dat in 2012 samen met het ATLAS-experiment het Higgs-deeltje ontdekte, is een upgrade van verschillende systemen. Honderden mensen van universiteiten en laboratoria over de hele wereld, waaronder Amerikaanse instellingen die worden gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie en de National Science Foundation, ontwerpen, bouwen en installeren de nieuwe detectorcomponenten. Deze technologieën zijn bedoeld om het bestaande experiment, dat op dit moment al meer dan tien jaar in bedrijf is, te verbeteren.

Experts voeren upgrades uit op zes belangrijke gebieden:het trackersysteem, timingdetector, trigger- en data-acquisitiesysteem, endcap-calorimeter, barrel-calorimeter en muon-systeem. Dankzij deze upgrades kunnen CMS-wetenschappers nauwkeurig meten en beter reconstrueren hoe deeltjes in de detector op elkaar inwerken. Het bestuderen van hun gedrag kan leiden tot nieuwe inzichten en mogelijke ontdekkingen over hoe ons universum werkt.

De tracker

De CMS-tracker brengt het pad van een deeltje door een magnetisch veld in kaart. Het heeft twee componenten:een binnenste pixeldetector en een buitenste strookdetector, die beide volledig zullen worden vervangen. De tracker is het binnenste gebied dat moet worden opgewaardeerd, het dichtst bij waar de protonen van de LHC botsen. Omdat de HL-LHC protonen sneller zal botsen, zullen de deeltjespaden zich snel opstapelen.

"De nieuwe pixeldetector heeft een fijnere granulariteit", zegt Anders Ryd, de hoofdonderzoeker van de door de National Science Foundation gefinancierde upgrades en een professor aan de Cornell University. "We hebben hogere snelheden en een hogere granulariteit nodig, zodat ze elk deeltje daadwerkelijk kunnen detecteren. Anders gaan er zoveel deeltjes door dat je gewoon een uitstrijkje ziet."

Medewerkers zullen acht schijven toevoegen in het voorste gebied van de binnenste tracker, waardoor de dekking van de pixeldetector wordt uitgebreid. Om de razendsnelle gegevens te verwerken, zal het team duizenden kleine modules samenstellen en toevoegen aan de buitenste tracker. Ze zullen worden uitgerust met sensoren en toepassingsspecifieke chips met geïntegreerde schakelingen die onmiddellijk kunnen beginnen met het filteren en verminderen van de gegevens, waardoor de buitenste tracker informatie kan verwerken met een verbluffende snelheid van 40 miljoen keer per seconde.

Timingdetector

CMS-onderzoekers bouwen een gloednieuwe laag buiten de tracker, de Minimum Ionizing Particles of MIP, timingdetector. De timingdetector vermindert ophoping, of een warboel van deeltjespaden, door onderzoekers informatie te geven over wanneer een deeltje de detector binnenkwam. Door ongekende precisie te gebruiken bij het meten van de aankomsttijd van deeltjes, kunnen onderzoekers individuele paden onderscheiden en in 4D reconstrueren.

"We voegen een detectorlaag toe die ons een nauwkeurige timingmeting geeft van individuele geladen deeltjes van LHC-botsingen langs hun pad", zegt Patricia McBride, een wetenschapper bij het Fermi National Accelerator Laboratory van de DOE die, gekozen door 3.000 natuurkundigen in de internationale CMS Samenwerking naar de rol, wordt begin dit najaar hoofd van de samenwerking. "Dit geeft ons informatie over het type deeltje dat het is en uit welke primaire botsing het kwam. We zullen ruimte- en tijdinformatie kunnen gebruiken om de interessante sporen in het evenement te identificeren."

De timingdetector heeft de vorm van een cilinder met twee eindkappen en de luchtdichte afdichting voorkomt energieverlies en houdt stof buiten. Het upgradeteam ontwerpt en bouwt nu modules, elektronica en software voor deze timingdetector.

Trigger en data-acquisitie

De CMS-trigger selecteert potentieel interessante botsingsgebeurtenissen en legt relevante gegevens vast, waarbij meer wetenschappelijk goedaardige gebeurtenissen worden weggegooid om de hoeveelheid gegevens beheersbaar te houden. Wanneer operationeel, zal een van de nieuwe triggers informatie opnemen van de geüpgradede buitenste tracker. Belangrijk is dat de nieuwe trigger gebruik zal maken van kunstmatige intelligentie en machine learning bij de data-acquisitie van de grote hoeveelheid data die verwacht wordt van LHC-botsingen.

"We moeten al vroeg wat slimheid introduceren in de selectie van evenementen", zegt Vaia Papadimitriou, de plaatsvervangend manager van het upgradeproject en een wetenschapper bij Fermilab, het gastlaboratorium voor de samenwerking tussen de VS en CMS. "Hierdoor kunnen we de hoeveelheid gegevens die we moeten verwerken verminderen en helpen we achtergrondsignalen te elimineren die in de weg zouden staan ​​van wat we eigenlijk proberen te bestuderen."

Door upgrades van het data-acquisitiesysteem kan het team sneller gegevens verzamelen om gelijke tred te houden met de toegenomen LHC-botsingspercentages.

Calorimeters

CMS is uitgerust met barrel- en endcap-calorimeters, detectoren die de energie van deeltjes meten.

De endcap-calorimeter flankeert de binnenste detectoren en analyseert de deeltjesregens van botsingen. De huidige endcap-calorimeter zal volledig worden vervangen door een nieuwe, high-granularity calorimeter, of HGCal, de eerste in zijn soort die wordt gebruikt bij een collider-experiment.

De detector heeft een uitstekende tijdresolutie en een ongelooflijk fijne ruimtelijke resolutie, die een nauwkeurige reconstructie van de vele geproduceerde deeltjes mogelijk maakt. Om het te bouwen, zullen medewerkers tienduizenden modules assembleren met kleine silicium- of scintillatorsensoren. De modules zullen honderden cassettes vormen, die de geïntegreerde schakelingen en elektronica bevatten die gegevens rechtstreeks op de detector kunnen verwerken en naar het data-acquisitiesysteem kunnen verzenden.

Het team is ook bezig met het upgraden van een deel van de vat elektromagnetische calorimeter. "We vervangen wat we de 'front-end elektronica' noemen, het elektronische systeem dat daar op de detector is geïnstalleerd", zegt Paolo Rumerio, de plaatsvervangend upgradecoördinator en een natuurkundige aan de Universiteit van Alabama. om de toegenomen gegevensstroom aan te kunnen.

"Deze calorimeters zullen een schat aan informatie opleveren die het CMS in staat zal stellen energieafzettingen, of buien, te reconstrueren die afkomstig zijn van verschillende deeltjes," zei Rumerio. "De energie en precieze timing van elk deeltje kan worden gemeten en gebruikt in de data-analyse."

Muons

Het verzamelen van informatie over muonen is essentieel voor CMS, zoals je zou verwachten van de naam:de Compact Muon Solenoid. De muonen van deeltjesbotsingen kunnen vrij ver reizen zonder interactie, dus deze laag van de detector bevindt zich buiten de calorimeters.

Het nieuwe muonsysteem zal verbeterde elektronica hebben, een betere tijdresolutie en een groter vermogen om muonen te detecteren die onder een groter bereik van hoeken van de straal komen. Verschillende nieuwe elektronische borden zullen de gegevensverwerking en uitlezing verzorgen. Medewerkers verbeteren ook de firmware en software die worden gebruikt om de elektronica op deze borden te besturen.

"Het MREFC [Major Research Equipment and Facility Construction project] ondersteunde upgrades van de voorwaartse muondetectoren omvatten nieuwe elektronica om de hogere datasnelheden bij de HL-LHC te ondersteunen, evenals het uitlezen van nieuwe Gas Electron Multiplier-detectoren die de muondetector zullen uitbreiden dekking dichter bij de bundellijn," zei Ryd. "Deze upgrades zorgen voor een aanzienlijke verbetering van de CMS-muondetectiemogelijkheden."

Vooruit gaan

Tegenwoordig bevinden upgrades voor de CMS-detector zich in verschillende stadia, maar ze zullen allemaal hetzelfde pad volgen. Na jaren van ontwikkeling en prototyping, wordt de samenwerking nu verplaatst om de onderdelen te bouwen of aan te schaffen, systeemcomponenten te gaan fabriceren in verschillende Amerikaanse laboratoria, ze grondig te testen en ze vervolgens af te leveren aan de experimenten bij CERN. Wetenschappers zullen de upgradecomponenten installeren tijdens de derde lange shutdown van de LHC, die momenteel gepland staat van 2026 tot 2028.

Zodra de HL-LHC is opgestart, zal het grotere datavolume onderzoekers helpen bij het zoeken naar zeldzame natuurkundige processen en het verder onderzoeken van het Higgs-deeltje. Onderzoekers geloven dat de Higgs het mechanisme verschaft waardoor alle andere deeltjes hun massa krijgen, maar wetenschappers moeten nog veel leren over het universum door het deeltje met grotere precisie te bestuderen.

"Het Higgs-deeltje is zo'n fundamenteel deeltje dat het niet goed genoeg is om het te ontdekken", zei Papadimitriou. "We hebben veel aanvullende informatie nodig om alle eigenschappen van het Higgs-deeltje te bestuderen. En omdat het Higgs-deeltje wordt voorspeld door het standaardmodel, als we een eigenschap vinden die anders is dan wat het standaardmodel voorspelt, is het een grote doorbraak." + Verder verkennen

Large Hadron Collider neemt eerste gegevens in recordloop