Large Hadron Colliderin kokeiden odotetaan keräävän petabyyttiä dataa
Myöhemmin tällä vuosikymmenellä tutkijat alkavattyöskennellä modernisoidun kiihdytin kanssa High-Luminosity LHC:tä (HL-LHC) varten. Se törmää enemmän protoneja, joilla on suurin kirkkaus. Sen avulla tutkijat aikovat tarkkailla viidestä seitsemään kertaa (ainakin) enemmän törmäyksiä kuin nyt. Nyt tutkijat luovat teknologioita parantaakseen ilmaisimia selviytymään lisääntyneestä kirkkaudesta.
Mitä päivityksiä on odotettavissa?
Insinöörit päivittävät useita järjestelmiäCMS (Compact Muon Solenoid) -koe, joka auttoi löytämään Higgsin bosonin vuonna 2012, yhdessä ATLAS-kokeen kanssa. Sadat ihmiset yliopistoista ja laboratorioista ympäri maailmaa suunnittelevat, rakentavat ja asentavat uusia ilmaisinkomponentteja. Nämä tekniikat parantavat olemassa olevaa kokeilua, joka on ollut käytössä yli vuosikymmenen ajan.
Asiantuntijat päivittävät kuutta avainaluetta:seurantajärjestelmä, aikailmaisin, laukaisu- ja tiedonkeruujärjestelmä sekä loppukalorimetri ja tynnyrikalorimetri ja lopuksi myonijärjestelmä. CMS-tutkijat pystyvät mittaamaan tarkasti ja paremmin rekonstruoimaan ilmaisimen hiukkasten vuorovaikutuksia. Tämä johtaa uuteen ymmärrykseen universumimme rakenteesta.
jäljitin
CMS-seuranta näyttää hiukkasen reitinmagneettikenttä. Se koostuu kahdesta komponentista, sisäisestä pikselitunnistimesta ja ulkoisesta kaistanpäästötunnistimesta, jotka molemmat ovat täysin vaihdettavissa. Tracker on päivitettävä sisäalue, joka on lähinnä LHC-protonien törmäyspaikkaa. Koska HL-LHC työntää protonit yhteen nopeammin, hiukkasten reitit alkavat muodostua nopeasti.
CMS-ilmaisin sai päätökseen useita päivityksiä kolmen vuoden seisokkiajan aikana valmistautuakseen nykyiseen ajoonsa LHC:ssä.
Luotto ja tekijänoikeudet: Samuel Joseph Herzog, CERN
Uusi pikselitunnistin on enemmänkorkea yksityiskohta. Tiedemiehet tarvitsevat suurempia nopeuksia ja korkeampia yksityiskohtia, jotta he voivat todella havaita jokaisen hiukkasen. Muuten hiukkasia on niin paljon, että tutkijat vain näkevät paikan.
Yhteistyökumppanit lisäävät kahdeksan levyä eteensisäinen seurantalaite, joka laajentaa pikselitunnistimen kattavuutta. Datan nopeaa käsittelyä varten tiimi kokoaa ja lisää tuhansia pieniä moduuleja ulkoiseen seurantalaitteeseen. Ne varustetaan antureilla ja sovelluskohtaisilla integroiduilla piirisiruilla, jotka alkavat välittömästi suodattaa ja vähentää dataa. Joten ulkoinen seurantalaite käsittelee tietoja hämmästyttävällä nopeudella - 40 miljoonaa kertaa sekunnissa.
Ajan ilmaisin
Aikatunnistin vähentää polun sotkuahiukkasia, jotka tarjoavat tutkijoille tietoa siitä, milloin hiukkanen tuli ilmaisimeen. Hiukkasten saapumisaikamittausten ennennäkemättömän tarkkuuden avulla fyysikot pystyvät erottamaan yksittäiset liikeradat ja rekonstruoivat ne 4D-muodossa.
Aikailmaisin on tynnyrin muotoinen, jossa on kaksipäätykappaleet, ja sen hermeettinen tiiviste estää energiahäviön ja pitää pölyn poissa. Modernisointitiimi suunnittelee ja rakentaa nyt moduuleja, elektroniikkaa ja ohjelmistoja väliaikaiselle ilmaisimelle.
Liipaisu- ja tiedonkeruujärjestelmä
CMS ilmaisin. Kuva: Julian Knutzen
CMS-triggeri valitsee mahdollisesti kiinnostavantörmäystapahtumat ja kerää asiaankuuluvat tiedot ja hylkää "tarpeettomat" ylläpitääkseen hallittavan määrän dataa. Käynnissä yksi uusista triggereistä vastaanottaa tietoja päivitetystä ulkoisesta seurannasta. Se käyttää tekoälyä ja koneoppimista keräämään suuren määrän dataa, jota odotetaan LHC:n törmäyksistä.
Tiedonkeruujärjestelmän päivittäminen antaa tiimille mahdollisuuden kerätä tietoja nopeammin pysyäkseen LHC:n törmäysten lisääntyessä.
Kalorimetrit
CMS on varustettu piippulla ja päädylläkalorimetrit - ilmaisimet, jotka mittaavat hiukkasten energiaa. End - sisäisten ilmaisimien vieressä ja analysoi hiukkasvirtaukset törmäyksistä. Nykyinen kalorimetri korvataan kokonaan uudella erittäin yksityiskohtaisella mittarilla. Se on ensimmäinen laatuaan, jota käytetään törmäyskokeessa.
Ilmaisimella on parempi ajoitus jaspatiaalinen resoluutio. Tällä tavalla tiedemiehet rekonstruoivat tarkasti monet tuotetut hiukkaset. Sen rakentamiseksi työntekijät kokoavat kymmeniä tuhansia moduuleja pienillä pii- tai tuikeantureilla. Moduulit muodostavat satoja kasetteja, joissa on integroituja piirejä ja elektroniikkaa. Tiedot käsitellään suoraan ilmaisimessa ja siirretään tiedonkeruujärjestelmään.
Tiimi myös päivittää osaa piippuisesta sähkömagneettisesta kalorimetristä. Uusi järjestelmä on hyödyllinen lisääntyneen tietovirran käsittelyyn.
Muon järjestelmä
Tietojen kerääminen myoneista on avainasemassaCMS:lle. Hiukkasten törmäysten myonit voivat kulkea melkoisen matkan ilman vuorovaikutusta. Siksi ilmaisinkerros on kalorimetrien ulkopuolella.
LHC-tunneli, sektori 3-4. Kuva: Maximilien Brice (CERN), CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commonsin kautta
Uusi myonijärjestelmä varustetaan modernisoidullaelektroniikka, parempi aikaresoluutio ja lisääntynyt kyky havaita säteestä nousevia myoneja laajemmasta kulmasta. Useat uudet sähkötaulut käsittelevät ja lukevat tietoja. Insinöörit parantavat myös laiteohjelmistoa ja ohjelmistoja, joita käytetään piirien elektroniikan ohjaamiseen.
Kaikki päivitykset laajentavat merkittävästi CMS:n kykyä havaita myoneja.
Mitä seuraavaksi?
CMS-ilmaisimen päivitys on erilainenvaiheita, mutta lopulta kaikki konvergoi yhteen pisteeseen. Vuosien prototyyppien valmistuksen jälkeen tutkijat luovat tai ostavat osia, valmistavat järjestelmäkomponentteja useissa yhdysvaltalaisissa laboratorioissa, testaavat niitä kokein ja toimittavat ne sitten CERNiin kokeilua varten. Tutkijat asentavat päivityskomponentit LHC:n kolmannen pitkän seisokin aikana, joka on suunniteltu vuosille 2026-2028.
HL-LHC:n julkaisun jälkeen datamäärä kasvoiauttaa tutkijoita etsimään harvinaisia fysikaalisia prosesseja ja tutkimaan edelleen Higgsin bosonia. Tiedemiehet uskovat, että "jumalahiukkanen" tarjoaa mekanismin, jolla kaikki muut hiukkaset saavat massansa. Tutkijoilla on kuitenkin vielä paljon opittavaa maailmankaikkeudesta tutkimalla tunnettua bosonia tarkemmin.
Loppujen lopuksi Higgsin bosoni on niinperushiukkanen, että pelkkä sen löytäminen ei riitä. Tutkijoilla on oltava paljon lisätietoa tutkiakseen kaikkia sen ominaisuuksia ja tehdäkseen läpimurron.
Lue lisää:
Muinaiset viikingit kärsivät vaarallisesta taudista. Sen aiheuttaa Afrikasta kotoisin oleva loinen
Marsin kasvi tuottaa happea keskimääräisen puun nopeudella
Fyysikot ovat jäähdyttäneet atomeja ennätyslämpötiloihin. Ne ovat miljardi kertaa kylmempiä kuin avaruus.
Kansikuva: Vidsplay in Abstract