Es wird erwartet, dass Experimente am Large Hadron Collider Petabytes an Daten sammeln werden
Später in diesem Jahrzehnt werden Wissenschaftler damit beginnenArbeiten mit einem modernisierten Beschleuniger für den High-Luminosity LHC (HL-LHC). Es werden mehr Protonen mit der höchsten Helligkeit kollidieren. Mit seiner Hilfe wollen Wissenschaftler mindestens fünf- bis siebenmal mehr Kollisionen beobachten als bisher. Jetzt entwickeln Forscher Technologien zur Verbesserung der Detektoren, um der erhöhten Helligkeit gerecht zu werden.
Welche Updates sind zu erwarten?
Ingenieure rüsten mehrere Systeme aufdas CMS-Experiment (Compact Muon Solenoid), das 2012 zur Entdeckung des Higgs-Bosons beitrug, zusammen mit dem ATLAS-Experiment. Hunderte von Menschen aus Universitäten und Labors auf der ganzen Welt entwerfen, bauen und installieren neue Detektorkomponenten. Diese Technologien werden ein bestehendes Experiment verbessern, das seit mehr als einem Jahrzehnt in Betrieb ist.
Experten rüsten sechs Schlüsselbereiche auf:ein Trackingsystem, ein Zeitdetektor, ein Trigger- und ein Datenerfassungssystem sowie ein Endkalorimeter und ein Fasskalorimeter und schließlich ein Myonensystem. CMS-Wissenschaftler werden in der Lage sein, Teilchenwechselwirkungen im Detektor genauer zu messen und besser zu rekonstruieren. Dies wird zu einem neuen Verständnis der Struktur unseres Universums führen.
Tracker
Der CMS-Tracker zeigt den Weg des Partikels durchein Magnetfeld. Es besteht aus zwei Komponenten, einem internen Pixeldetektor und einem externen Bandpassdetektor, die beide komplett austauschbar sind. Der Tracker ist der innere Bereich, der am nächsten an der LHC-Protonenkollisionsstelle aufgerüstet werden soll. Da der HL-LHC die Protonen schneller zusammenschiebt, beginnen sich die Teilchenpfade schnell aufzubauen.
Der CMS-Detektor hat während einer dreijährigen Ausfallzeit mehrere Upgrades durchgeführt, um sich auf seinen aktuellen Betrieb am LHC vorzubereiten.
Kredit und Bildrechte: Samuel Joseph Herzog, CERN
Der neue Pixeldetektor ist mehreinen hohen Detailgrad. Wissenschaftler brauchen höhere Geschwindigkeiten und höhere Detailgenauigkeiten, um wirklich jedes einzelne Teilchen erkennen zu können. Andernfalls werden so viele Partikel vorhanden sein, dass die Wissenschaftler nur den Fleck sehen.
Mitarbeiter werden der Vorderseite acht Discs hinzufügeninterner Tracker, der die Abdeckung des Pixeldetektors erweitert. Um Daten schnell zu verarbeiten, wird das Team Tausende von kleinen Modulen zu einem externen Tracker zusammenbauen und hinzufügen. Sie werden mit Sensoren und anwendungsspezifischen integrierten Schaltungschips ausgestattet, die sofort mit der Filterung und Reduzierung von Daten beginnen. Der externe Tracker verarbeitet also Informationen mit einer atemberaubenden Geschwindigkeit – 40 Millionen Mal pro Sekunde.
Zeitdetektor
Zeitdetektor reduziert WegstörungPartikel, die den Forschern Informationen darüber liefern, wann das Partikel den Detektor getroffen hat. Mithilfe der beispiellosen Genauigkeit bei der Messung der Ankunftszeiten von Teilchen werden Physiker in der Lage sein, einzelne Flugbahnen zu unterscheiden und sie in 4D zu rekonstruieren.
Der Zeitdetektor hat die Form eines Fasses mit zweiEndkappen und seine hermetische Abdichtung verhindern Energieverlust und halten Staub fern. Das Modernisierungsteam entwirft und baut nun Module, Elektronik und Software für den temporären Detektor.
Trigger- und Datenerfassungssystem
CMS-Detektor. Foto: Julian Knutzen
Der CMS-Trigger wählt potenziell interessante Elemente ausKollisionsereignisse und erfasst die relevanten Daten, wobei „unnötige“ Daten verworfen werden, um eine überschaubare Datenmenge beizubehalten. Während der Ausführung erhält einer der neuen Trigger Informationen von einem aktualisierten externen Tracker. Es wird künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen nutzen, um die großen Datenmengen zu sammeln, die von Kollisionen am LHC erwartet werden.
Die Aufrüstung des Datenerfassungssystems wird es dem Team ermöglichen, Daten schneller zu sammeln, um mit der erhöhten Häufigkeit von Kollisionen am LHC Schritt zu halten.
Kalorimeter
CMS ist mit Lauf und Ende ausgestattetKalorimeter - Detektoren, die die Energie von Teilchen messen. Ende - neben den internen Detektoren und analysiert Partikelströme von Kollisionen. Das bisherige Kalorimeter wird komplett durch ein neues hochdetailliertes ersetzt. Es ist das erste seiner Art, das in einem Collider-Experiment eingesetzt wird.
Der Detektor hat ein verbessertes Timing undräumliche Auflösung. Auf diese Weise rekonstruieren Wissenschaftler genau die vielen erzeugten Teilchen. Um es zu bauen, werden die Mitarbeiter Zehntausende von Modulen mit kleinen Silizium- oder Szintillationssensoren zusammenbauen. Die Module bilden Hunderte von Kassetten mit integrierten Schaltkreisen und Elektronik. Die Daten werden direkt am Detektor verarbeitet und an das Datenerfassungssystem übermittelt.
Das Team rüstet auch einen Teil des elektromagnetischen Kalorimeters mit Trommel auf. Das neue System wird sich als nützlich erweisen, um den erhöhten Datenfluss zu bewältigen.
Myonensystem
Das Sammeln von Informationen über Myonen ist der Schlüsselfür CMS. Myonen aus Teilchenkollisionen können eine beträchtliche Entfernung zurücklegen, ohne zu interagieren. Deshalb befindet sich die Detektorschicht außerhalb der Kalorimeter.
LHC-Tunnel, Sektor 3-4. Foto: Maximilien Brice (CERN), CC BY-SA 3.0, über Wikimedia Commons
Das neue Myonensystem wird mit einem modernisierten ausgestattetElektronik, bessere Zeitauflösung und verbesserte Fähigkeit, Myonen zu erkennen, die aus dem Strahl in einem größeren Winkelbereich austreten. Mehrere neue elektronische Platinen werden die Daten verarbeiten und auslesen. Die Ingenieure verbessern auch die Firmware und Software zur Steuerung der Elektronik auf den Platinen.
Alle Updates werden die Fähigkeiten von CMS zur Erkennung von Myonen erheblich erweitern.
Was weiter?
Das CMS-Detektor-Upgrade ist andersPhasen, aber am Ende läuft alles auf einen Punkt zusammen. Nach Jahren des Prototypenbaus erstellen oder kaufen Wissenschaftler Teile, fertigen Systemkomponenten in verschiedenen US-Laboren, testen sie durch Experimente und liefern sie dann zum Experimentieren an CERN. Die Wissenschaftler werden die Upgrade-Komponenten während der dritten Langzeitschließung des LHC installieren, die für 2026-2028 geplant ist.
Nach dem Start von HL-LHC erhöhtes Datenvolumenwird Forschern bei der Suche nach seltenen physikalischen Prozessen und der weiteren Erforschung des Higgs-Bosons helfen. Wissenschaftler glauben, dass das „Gottesteilchen“ den Mechanismus bereitstellt, durch den alle anderen Teilchen ihre Masse erhalten. Allerdings müssen Wissenschaftler noch viel über das Universum lernen, indem sie das bekannte Boson genauer untersuchen.
Immerhin ist das Higgs-Boson sofundamentales Teilchen, dass es nicht ausreicht, es nur zu entdecken. Wissenschaftler benötigen viele zusätzliche Informationen, um alle seine Eigenschaften zu untersuchen und einen Durchbruch zu erzielen.
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