Under eksperimenter ved Large Hadron Collider forventes forskere at indsamle petabytes af data til
Senere dette årti vil videnskabsmænd begynde atarbejder med en moderniseret accelerator til High-Luminosity LHC (HL-LHC). Det vil kollidere med flere protoner med den højeste lysstyrke. Med dens hjælp planlægger forskerne at observere fem til syv gange (mindst) flere kollisioner end nu. Nu er forskere ved at skabe teknologier til at forbedre detektorer til at klare den øgede lysstyrke.
Hvilke opdateringer kan du forvente?
Ingeniører opgraderer flere systemerCMS-eksperimentet (Compact Muon Solenoid), som hjalp med at opdage Higgs-bosonet i 2012, sammen med ATLAS-eksperimentet. Hundredvis af mennesker fra universiteter og laboratorier rundt om i verden designer, bygger og installerer nye detektorkomponenter. Disse teknologier vil forbedre et eksisterende eksperiment, der har været i drift i mere end et årti.
Eksperter opgraderer seks nøgleområder:et sporingssystem, en tidsdetektor, en trigger og et dataopsamlingssystem samt et slutkalorimeter og et tøndekalorimeter og til sidst et myonsystem. CMS-forskere vil være i stand til nøjagtigt at måle og bedre rekonstruere partikelinteraktioner i detektoren. Dette vil føre til en ny forståelse af strukturen i vores univers.
tracker
CMS-trackeren viser partiklens vej igennemet magnetfelt. Den består af to komponenter, en intern pixeldetektor og en ekstern båndpasdetektor, som begge er fuldstændigt udskiftelige. Trackeren er det indre område, der skal opgraderes tættest på LHC-protonkollisionsstedet. Da HL-LHC vil presse protonerne sammen hurtigere, vil partikelvejene begynde at opbygges hurtigt.
CMS-detektoren gennemførte adskillige opgraderinger i løbet af dens tre-årige nedetid for at forberede dens nuværende kørsel på LHC.
Kredit og ophavsret: Samuel Joseph Herzog, CERN
Den nye pixeldetektor er mereen høj detaljegrad. Forskere har brug for højere hastigheder og højere detaljeringsniveauer, så de faktisk kan opdage hver enkelt partikel. Ellers vil der være så mange partikler, at forskerne bare vil se stedet.
Samarbejdspartnere vil tilføje otte diske foranintern tracker, der udvider dækningen af pixeldetektoren. For hurtigt at behandle data vil teamet samle og tilføje tusindvis af små moduler til en ekstern tracker. De vil blive udstyret med sensorer og applikationsspecifikke integrerede kredsløbschips, der straks vil begynde at filtrere og reducere data. Så den eksterne tracker vil behandle information med en svimlende hastighed - 40 millioner gange i sekundet.
Tidsdetektor
Tidsdetektor reducerer vejrodpartikler, hvilket giver forskerne information om, hvornår partiklen kom ind i detektoren. Ved at bruge den hidtil usete nøjagtighed af partikelankomsttidsmålinger vil fysikere være i stand til at skelne individuelle baner og rekonstruere dem i 4D.
Tidsdetektoren har form som en tønde med toendestykker, og dens hermetiske forsegling forhindrer energitab og holder støv ude. Moderniseringsteamet designer og bygger nu moduler, elektronik og software til den midlertidige detektor.
Trigger og dataindsamlingssystem
CMS detektor. Foto: Julian Knutzen
CMS-trigger vælger potentielt interessantekollisionshændelser og fanger de relevante data og kasserer "unødvendige" for at opretholde en håndterbar mængde data. Når du kører, vil en af de nye triggere modtage information fra en opgraderet ekstern tracker. Det vil bruge kunstig intelligens og maskinlæring til at indsamle den store mængde data, der forventes fra kollisioner ved LHC.
Opgradering af dataindsamlingssystemet vil give holdet mulighed for at indsamle data hurtigere for at følge med den øgede hyppighed af kollisioner ved LHC.
Kalorimetre
CMS er udstyret med tønde og endekalorimetre - detektorer, der måler partiklernes energi. End - støder op til de interne detektorer og analyserer partikelstrømme fra kollisioner. Det nuværende kalorimeter vil blive fuldstændig erstattet af et nyt meget detaljeret. Det er den første af sin slags, der skal bruges i et kollider-eksperiment.
Detektoren vil have forbedret timing ogRumlig opløsning. På denne måde rekonstruerer forskerne nøjagtigt de mange producerede partikler. For at bygge det vil medarbejderne samle titusindvis af moduler med små silicium- eller scintillationssensorer. Modulerne udgør hundredvis af kassetter med integrerede kredsløb og elektronik. Dataene vil blive behandlet direkte ved detektoren og overført til dataindsamlingssystemet.
Holdet opgraderer også en del af det elektromagnetiske kalorimeter med cylinder. Det nye system vil være praktisk til at håndtere det øgede dataflow.
Muon system
Indsamling af information om myoner er nøglentil CMS. Myoner fra partikelkollisioner kan rejse et godt stykke uden at interagere. Derfor er detektorlaget uden for kalorimetrene.
LHC-tunnel, sektor 3-4. Foto: Maximilien Brice (CERN), CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Det nye muonsystem bliver udstyret med et moderniseretelektronik, bedre tidsopløsning og øget evne til at detektere myoner, der dukker op fra strålen i et bredere udvalg af vinkler. Flere nye elektroniske tavler vil behandle og læse dataene. Ingeniørerne forbedrer også firmwaren og softwaren, der bruges til at styre elektronikken på tavlerne.
Alle opdateringer vil markant udvide mulighederne i CMS til at detektere myoner.
Hvad er næste?
CMS-detektoropgraderingen er anderledesstadier, men alt konvergerer til ét punkt til sidst. Efter flere års prototyping skaber eller køber videnskabsmænd dele, fremstiller systemkomponenter i forskellige amerikanske laboratorier, tester dem gennem eksperimenter og leverer dem derefter til CERN til eksperimentering. Forskerne vil installere opgraderingskomponenterne under LHC's tredje langsigtede lukning, planlagt til 2026-2028.
Efter lanceringen af HL-LHC, øget datavolumenvil hjælpe forskere i søgen efter sjældne fysiske processer og yderligere undersøgelse af Higgs-bosonen. Forskere mener, at "gudepartiklen" giver den mekanisme, hvorved alle andre partikler opnår deres masse. Forskere har dog stadig meget at lære om universet ved at studere det kendte boson med større præcision.
Det er jo Higgs-bosonenfundamental partikel, at det ikke er nok bare at opdage det. Forskere skal have en masse yderligere information for at studere alle dens egenskaber og få et gennembrud.
Læs mere:
De gamle vikinger led af en farlig sygdom. Det er forårsaget af en parasit fra Afrika
Planten på Mars producerer ilt med samme hastighed som et gennemsnitligt træ
Fysikere har afkølet atomer til at registrere temperaturer. De er en milliard gange koldere end det ydre rum.
Forsidefoto: Vidsplay in Abstract