V experimentech na Velkém hadronovém urychlovači se očekává, že vědci shromáždí petabajty dat
Později v tomto desetiletí začnou vědcipracující s modernizovaným urychlovačem pro High-Luminosity LHC (HL-LHC). Srazí více protonů s nejvyšší jasností. S jeho pomocí vědci plánují pozorovat pětkrát až sedmkrát (minimálně) více srážek než nyní. Nyní výzkumníci vytvářejí technologie pro zlepšení detektorů, aby se vyrovnaly se zvýšeným jasem.
Jaké aktualizace očekávat?
Inženýři modernizují několik systémůexperiment CMS (Compact Muon Solenoid), který pomohl objevit Higgsův boson v roce 2012 spolu s experimentem ATLAS. Stovky lidí z univerzit a laboratoří po celém světě navrhují, staví a instalují nové komponenty detektorů. Tyto technologie vylepší stávající experiment, který funguje již více než deset let.
Odborníci modernizují šest klíčových oblastí:sledovací systém, detektor času, spoušť a systém sběru dat, dále koncový kalorimetr a sudový kalorimetr a nakonec mionový systém. Vědci CMS budou schopni přesně měřit a lépe rekonstruovat interakce částic v detektoru. To povede k novému pochopení struktury našeho vesmíru.
stopař
CMS tracker zobrazuje cestu částice skrzmagnetické pole. Skládá se ze dvou součástí, interního pixelového detektoru a externího pásmového detektoru, přičemž oba jsou zcela vyměnitelné. Sledovač je vnitřní oblast, která má být modernizována nejblíže místu srážky protonů LHC. Protože HL-LHC stlačí protony k sobě rychleji, dráhy částic se začnou rychle budovat.
Detektor CMS dokončil během tříleté odstávky několik upgradů, aby se připravil na svůj současný provoz na LHC.
Kredit a autorská práva: Samuel Joseph Herzog, CERN
Nový pixelový detektor je vícevysoký stupeň detailů. Vědci potřebují vyšší rychlost a vyšší úroveň detailů, aby mohli skutečně detekovat každou jednotlivou částici. Jinak tam bude tolik částic, že vědci tu skvrnu prostě uvidí.
Spolupracovníci přidají osm disků dopředuinterní tracker, rozšiřující pokrytí pixelového detektoru. Pro rychlé zpracování dat tým sestaví a přidá tisíce malých modulů do externího sledovače. Budou vybaveny senzory a aplikačně specifickými čipy integrovaných obvodů, které okamžitě začnou filtrovat a redukovat data. Externí sledovač tedy zpracuje informace ohromující rychlostí – 40 milionůkrát za sekundu.
Detektor času
Detektor času snižuje změť cestyčástic, poskytujících výzkumníkům informace o tom, kdy částice vstoupily do detektoru. S využitím bezprecedentní přesnosti měření času příchodu částic budou fyzici schopni rozlišit jednotlivé trajektorie a rekonstruovat je ve 4D.
Detektor času má tvar sudu se dvěmakoncovky a jeho hermetické těsnění zabrání ztrátě energie a zabrání vnikání prachu. Modernizační tým nyní navrhuje a staví moduly, elektroniku a software pro dočasný detektor.
Spouštěč a systém sběru dat
CMS detektor. Foto: Julian Knutzen
Spouštěč CMS vybírá potenciálně zajímavékolizních událostí a zachycuje relevantní data, přičemž „nepotřebná“ zahazuje, aby bylo možné zachovat zvládnutelné množství dat. Při spuštění bude jeden z nových spouštěčů přijímat informace z upgradovaného externího sledovače. Ke sběru velkého množství dat očekávaných od kolizí na LHC bude využívat umělou inteligenci a strojové učení.
Upgrade systému sběru dat umožní týmu rychleji sbírat data, aby držel krok se zvýšenou frekvencí kolizí na LHC.
Kalorimetry
CMS je vybavena hlavně a koncemkalorimetry – detektory, které měří energii částic. Konec - sousedí s vnitřními detektory a analyzuje toky částic ze srážek. Současný kalorimetr bude zcela nahrazen novým vysoce detailním. Je to první svého druhu, který byl použit v experimentu s urychlovačem.
Detektor bude mít vylepšené časování aprostorové rozlišení. Tímto způsobem vědci přesně rekonstruují mnoho vyrobených částic. Pro jeho stavbu zaměstnanci sestaví desítky tisíc modulů s malými křemíkovými nebo scintilačními senzory. Moduly tvoří stovky kazet s integrovanými obvody a elektronikou. Data budou zpracována přímo na detektoru a přenesena do systému sběru dat.
Tým také modernizuje část válcového elektromagnetického kalorimetru. Nový systém se bude hodit pro zvládnutí zvýšeného datového toku.
Mionový systém
Sběr informací o mionech je klíčovýpro CMS. Miony ze srážek částic mohou urazit poměrně velkou vzdálenost bez interakce. Proto je vrstva detektoru mimo kalorimetry.
Tunel LHC, sektor 3-4. Foto: Maximilien Brice (CERN), CC BY-SA 3.0, prostřednictvím Wikimedia Commons
Nový mionový systém bude vybaven modernizovanýmelektronika, lepší časové rozlišení a zvýšená schopnost detekovat miony vycházející z paprsku v širším rozsahu úhlů. Několik nových elektronických desek bude zpracovávat a číst data. Inženýři také vylepšují firmware a software používaný k ovládání elektroniky na deskách.
Všechny aktualizace výrazně rozšíří možnosti CMS pro detekci mionů.
Co bude dál?
Upgrade detektoru CMS je jinýetapy, ale vše se nakonec sblíží do jednoho bodu. Po letech prototypování vědci vytvářejí nebo nakupují díly, vyrábějí součásti systému v různých amerických laboratořích, testují je prostřednictvím experimentů a poté je dodávají do CERNu k experimentům. Vědci nainstalují komponenty modernizace během třetí dlouhé odstávky LHC, která je naplánována na roky 2026-2028.
Po spuštění HL-LHC narostl objem datpomůže výzkumníkům při hledání vzácných fyzikálních procesů a dalším studiu Higgsova bosonu. Vědci věří, že „boží částice“ poskytuje mechanismus, kterým všechny ostatní částice získávají svou hmotnost. Vědci se však mají o vesmíru ještě hodně co učit, protože studují známý boson s větší přesností.
Ostatně Higgsův boson je takovýzákladní částice, že její pouhé objevení nestačí. Vědci potřebují mít spoustu dalších informací, aby mohli studovat všechny jeho vlastnosti a udělat průlom.
Přečtěte si více:
Staří Vikingové trpěli nebezpečnou nemocí. Způsobuje ho parazit z Afriky
Rostlina na Marsu produkuje kyslík rychlostí průměrného stromu
Fyzici ochladili atomy na rekordní teploty. Jsou miliardkrát chladnější než vesmír.
Titulní foto: Vidsplay in Abstract