Τα πειράματα στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων αναμένεται να συλλέξουν petabyte δεδομένων
Αργότερα αυτή τη δεκαετία, οι επιστήμονες θα αρχίσουν νασε συνεργασία με έναν εκσυγχρονισμένο επιταχυντή για τον LHC υψηλής φωτεινότητας (HL-LHC). Θα συγκρουστεί περισσότερα πρωτόνια με την υψηλότερη φωτεινότητα. Με τη βοήθειά του, οι επιστήμονες σχεδιάζουν να παρατηρήσουν πέντε έως επτά φορές (τουλάχιστον) περισσότερες συγκρούσεις από τώρα. Τώρα οι ερευνητές δημιουργούν τεχνολογίες για τη βελτίωση των ανιχνευτών για να αντιμετωπίσουν την αυξημένη φωτεινότητα.
Τι ενημερώσεις να περιμένετε;
Οι μηχανικοί αναβαθμίζουν πολλαπλά συστήματατο πείραμα CMS (Compact Muon Solenoid), το οποίο βοήθησε στην ανακάλυψη του μποζονίου Higgs το 2012, μαζί με το πείραμα ATLAS. Εκατοντάδες άνθρωποι από πανεπιστήμια και εργαστήρια σε όλο τον κόσμο σχεδιάζουν, κατασκευάζουν και εγκαθιστούν νέα εξαρτήματα ανιχνευτών. Αυτές οι τεχνολογίες θα βελτιωθούν σε ένα υπάρχον πείραμα που λειτουργεί για περισσότερο από μια δεκαετία.
Οι ειδικοί αναβαθμίζουν έξι βασικούς τομείς:ένα σύστημα παρακολούθησης, έναν ανιχνευτή χρόνου, μια σκανδάλη και ένα σύστημα απόκτησης δεδομένων, καθώς και ένα θερμιδόμετρο άκρου και ένα θερμιδόμετρο κάννης και τέλος ένα σύστημα μιονίων. Οι επιστήμονες του CMS θα είναι σε θέση να μετρούν με ακρίβεια και να ανασυνθέτουν καλύτερα τις αλληλεπιδράσεις σωματιδίων στον ανιχνευτή. Αυτό θα οδηγήσει σε μια νέα κατανόηση της δομής του σύμπαντος μας.
ιχνηλάτης
Ο ανιχνευτής CMS εμφανίζει τη διαδρομή του σωματιδίουένα μαγνητικό πεδίο. Αποτελείται από δύο εξαρτήματα, έναν εσωτερικό ανιχνευτή pixel και έναν εξωτερικό ανιχνευτή διέλευσης ζώνης, τα οποία μπορούν να αντικατασταθούν πλήρως. Ο ιχνηλάτης είναι η εσωτερική περιοχή που πρέπει να αναβαθμιστεί πιο κοντά στο σημείο σύγκρουσης πρωτονίων LHC. Δεδομένου ότι το HL-LHC θα ωθήσει τα πρωτόνια μαζί πιο γρήγορα, οι διαδρομές των σωματιδίων θα αρχίσουν να συσσωρεύονται γρήγορα.
Ο ανιχνευτής CMS ολοκλήρωσε αρκετές αναβαθμίσεις κατά τη διάρκεια τριετούς διακοπής λειτουργίας για να προετοιμαστεί για την τρέχουσα λειτουργία του στο LHC.
Πίστωση και πνευματικά δικαιώματα: Samuel Joseph Herzog, CERN
Ο νέος ανιχνευτής pixel είναι περισσότερουψηλό βαθμό λεπτομέρειας. Οι επιστήμονες χρειάζονται υψηλότερες ταχύτητες και υψηλότερα επίπεδα λεπτομέρειας, ώστε να μπορούν πραγματικά να ανιχνεύουν κάθε σωματίδιο. Διαφορετικά, θα υπάρχουν τόσα πολλά σωματίδια που οι επιστήμονες θα δουν απλώς το σημείο.
Οι συνεργάτες θα προσθέσουν οκτώ δίσκους στο μπροστινό μέροςεσωτερικό ιχνηλάτη, επεκτείνοντας την κάλυψη του ανιχνευτή pixel. Για να επεξεργαστεί γρήγορα δεδομένα, η ομάδα θα συγκεντρώσει και θα προσθέσει χιλιάδες μικρές μονάδες σε έναν εξωτερικό ιχνηλάτη. Θα είναι εξοπλισμένα με αισθητήρες και τσιπ ολοκληρωμένων κυκλωμάτων για συγκεκριμένες εφαρμογές που θα αρχίσουν αμέσως να φιλτράρουν και να μειώνουν τα δεδομένα. Έτσι, ο εξωτερικός ανιχνευτής θα επεξεργάζεται πληροφορίες με εκπληκτική ταχύτητα - 40 εκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο.
Ανιχνευτής χρόνου
Ο ανιχνευτής χρόνου μειώνει την ακαταστασία της διαδρομήςσωματίδια, παρέχοντας στους ερευνητές πληροφορίες για το πότε το σωματίδιο εισήλθε στον ανιχνευτή. Χρησιμοποιώντας την άνευ προηγουμένου ακρίβεια των μετρήσεων του χρόνου άφιξης σωματιδίων, οι φυσικοί θα είναι σε θέση να διακρίνουν μεμονωμένες τροχιές και να τις ανακατασκευάσουν σε 4D.
Ο ανιχνευτής χρόνου έχει σχήμα κάννης με δύοΤα ακραία καπάκια και η ερμητική του σφράγιση θα αποτρέψουν την απώλεια ενέργειας και θα κρατήσουν τη σκόνη έξω. Η ομάδα εκσυγχρονισμού σχεδιάζει και κατασκευάζει πλέον μονάδες, ηλεκτρονικά και λογισμικό για τον προσωρινό ανιχνευτή.
Σύστημα ενεργοποίησης και συλλογής δεδομένων
Ανιχνευτής CMS. Φωτογραφία: Julian Knutzen
Το έναυσμα CMS επιλέγει δυνητικά ενδιαφέροντασυμβάντα σύγκρουσης και συλλαμβάνει τα σχετικά δεδομένα, απορρίπτοντας τα "περιττά" για να διατηρήσει μια διαχειρίσιμη ποσότητα δεδομένων. Κατά την εκτέλεση, ένας από τους νέους κανόνες ετικέτας θα λάβει πληροφορίες από έναν αναβαθμισμένο εξωτερικό ιχνηλάτη. Θα χρησιμοποιεί τεχνητή νοημοσύνη και μηχανική μάθηση για τη συλλογή του μεγάλου όγκου δεδομένων που αναμένεται από τις συγκρούσεις στο LHC.
Η αναβάθμιση του συστήματος απόκτησης δεδομένων θα επιτρέψει στην ομάδα να συλλέγει δεδομένα πιο γρήγορα για να συμβαδίζει με την αυξημένη συχνότητα συγκρούσεων στο LHC.
Θερμιδόμετρα
Το CMS είναι εξοπλισμένο με κάννη και άκροθερμιδόμετρα - ανιχνευτές που μετρούν την ενέργεια των σωματιδίων. Τέλος - δίπλα στους εσωτερικούς ανιχνευτές και αναλύει τις ροές σωματιδίων από συγκρούσεις. Το τρέχον θερμιδόμετρο θα αντικατασταθεί πλήρως από ένα νέο εξαιρετικά λεπτομερές. Είναι το πρώτο του είδους του που χρησιμοποιείται σε πείραμα επιταχυντή.
Ο ανιχνευτής θα έχει βελτιωμένο χρονισμό καιχωρική ανάλυση. Με αυτόν τον τρόπο, οι επιστήμονες ανακατασκευάζουν με ακρίβεια τα πολλά σωματίδια που παράγονται. Για την κατασκευή του, οι εργαζόμενοι θα συναρμολογήσουν δεκάδες χιλιάδες μονάδες με μικρούς αισθητήρες πυριτίου ή σπινθηρισμού. Οι μονάδες σχηματίζουν εκατοντάδες κασέτες με ολοκληρωμένα κυκλώματα και ηλεκτρονικά. Τα δεδομένα θα υποβληθούν σε επεξεργασία απευθείας στον ανιχνευτή και θα μεταδοθούν στο σύστημα συλλογής δεδομένων.
Η ομάδα αναβαθμίζει επίσης μέρος του ηλεκτρομαγνητικού θερμιδόμετρου με κάννη. Το νέο σύστημα θα είναι χρήσιμο για να χειριστεί την αυξημένη ροή δεδομένων.
Σύστημα Muon
Η συλλογή πληροφοριών για τα μιόνια είναι το κλειδίγια CMS. Τα μιόνια από τις συγκρούσεις σωματιδίων μπορούν να διανύσουν αρκετή απόσταση χωρίς να αλληλεπιδράσουν. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το στρώμα του ανιχνευτή βρίσκεται εκτός των θερμιδομέτρων.
Σήραγγα LHC, τομέας 3-4. Φωτογραφία: Maximilien Brice (CERN), CC BY-SA 3.0, μέσω Wikimedia Commons
Το νέο σύστημα muon θα είναι εξοπλισμένο με ένα εκσυγχρονισμένοηλεκτρονικά, καλύτερη ανάλυση χρόνου και αυξημένη ικανότητα ανίχνευσης μιονίων που αναδύονται από τη δέσμη σε μεγαλύτερο εύρος γωνιών. Αρκετοί νέοι ηλεκτρονικοί πίνακες θα επεξεργάζονται και θα διαβάζουν τα δεδομένα. Οι μηχανικοί βελτιώνουν επίσης το υλικολογισμικό και το λογισμικό που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των ηλεκτρονικών στις πλακέτες.
Όλες οι ενημερώσεις θα επεκτείνουν σημαντικά τις δυνατότητες του CMS για την ανίχνευση μιονίων.
Τι άλλο;
Η αναβάθμιση του ανιχνευτή CMS είναι διαφορετικήστάδια, αλλά όλα συγκλίνουν σε ένα σημείο στο τέλος. Μετά από χρόνια δημιουργίας πρωτοτύπων, οι επιστήμονες δημιουργούν ή αγοράζουν εξαρτήματα, κατασκευάζουν εξαρτήματα συστήματος σε διάφορα εργαστήρια των ΗΠΑ, τα δοκιμάζουν μέσω πειραμάτων και στη συνέχεια τα παραδίδουν στο CERN για πειραματισμό. Οι επιστήμονες θα εγκαταστήσουν τα εξαρτήματα αναβάθμισης κατά την τρίτη μακροχρόνια διακοπή λειτουργίας του LHC, που έχει προγραμματιστεί για το 2026-2028.
Μετά την κυκλοφορία του HL-LHC, αυξήθηκε ο όγκος δεδομένωνθα βοηθήσει τους ερευνητές στην αναζήτηση σπάνιων φυσικών διεργασιών και στην περαιτέρω μελέτη του μποζονίου Higgs. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι το «σωματίδιο του θεού» παρέχει τον μηχανισμό με τον οποίο όλα τα άλλα σωματίδια αποκτούν τη μάζα τους. Ωστόσο, οι επιστήμονες έχουν ακόμα πολλά να μάθουν για το Σύμπαν μελετώντας το γνωστό μποζόνιο με μεγαλύτερη ακρίβεια.
Άλλωστε, το μποζόνιο Higgs είναι έτσιθεμελιώδες σωματίδιο που μόνο η ανακάλυψή του δεν αρκεί. Οι επιστήμονες πρέπει να έχουν πολλές πρόσθετες πληροφορίες για να μελετήσουν όλες τις ιδιότητές του και να κάνουν μια σημαντική ανακάλυψη.
Διαβάστε περισσότερα:
Οι αρχαίοι Βίκινγκς υπέφεραν από μια επικίνδυνη ασθένεια. Προκαλείται από ένα παράσιτο από την Αφρική
Το φυτό στον Άρη παράγει οξυγόνο με ρυθμό ενός μέσου δέντρου
Οι φυσικοί έχουν ψύχει άτομα για να καταγράφουν θερμοκρασίες. Είναι ένα δισεκατομμύριο φορές πιο κρύα από το διάστημα.
Φωτογραφία εξωφύλλου: Vidsplay in Abstract