Les expériences menées au Grand collisionneur de hadrons devraient collecter des pétaoctets de données pour
Plus tard cette décennie, les scientifiques commenceront àtravailler avec un accélérateur modernisé pour le LHC à haute luminosité (HL-LHC). Il fera entrer en collision davantage de protons avec la luminosité la plus élevée. Avec son aide, les scientifiques prévoient d'observer cinq à sept fois (au moins) plus de collisions qu'aujourd'hui. Aujourd’hui, les chercheurs créent des technologies pour améliorer les détecteurs afin de faire face à l’augmentation de la luminosité.
A quelles mises à jour s'attendre ?
Les ingénieurs mettent à niveau plusieurs systèmesl'expérience CMS (Compact Muon Solenoid), qui a permis de découvrir le boson de Higgs en 2012, ainsi que l'expérience ATLAS. Des centaines de personnes issues d'universités et de laboratoires du monde entier conçoivent, construisent et installent de nouveaux composants de détecteurs. Ces technologies amélioreront une expérience existante qui fonctionne depuis plus d'une décennie.
Les experts améliorent six domaines clés :un système de suivi, un détecteur de temps, un déclencheur et un système d'acquisition de données, ainsi qu'un calorimètre final et un calorimètre tonneau, et enfin un système à muons. Les scientifiques de CMS pourront mesurer avec précision et mieux reconstruire les interactions des particules dans le détecteur. Cela conduira à une nouvelle compréhension de la structure de notre Univers.
traqueur
Le tracker CMS affiche le chemin de la particule à traversun champ magnétique. Il se compose de deux composants, un détecteur de pixels interne et un détecteur passe-bande externe, tous deux entièrement remplaçables. Le tracker est la zone intérieure à moderniser la plus proche du site de collision de protons du LHC. Étant donné que le HL-LHC poussera les protons ensemble plus rapidement, les trajets des particules commenceront à s'accumuler rapidement.
Le détecteur CMS a effectué plusieurs mises à niveau au cours d'une période d'arrêt de trois ans afin de préparer son exploitation actuelle au LHC.
Crédit & Copyright : Samuel Joseph Herzog, CERN
Le nouveau détecteur de pixels est plusun haut degré de détail. Les scientifiques ont besoin de vitesses plus élevées et de niveaux de détail plus élevés pour pouvoir réellement détecter chaque particule. Sinon, il y aura tellement de particules que les scientifiques ne verront que l'endroit.
Les collaborateurs ajouteront huit disques à l'avanttracker interne, élargissant la couverture du détecteur de pixels. Pour traiter rapidement les données, l'équipe assemblera et ajoutera des milliers de petits modules à un tracker externe. Ils seront équipés de capteurs et de puces de circuits intégrés spécifiques à l'application qui commenceront immédiatement à filtrer et à réduire les données. Ainsi, le tracker externe traitera les informations à une vitesse stupéfiante - 40 millions de fois par seconde.
Détecteur de temps
Le détecteur de temps réduit l'encombrement du cheminparticules, fournissant aux chercheurs des informations sur le moment où la particule est entrée dans le détecteur. Grâce à la précision sans précédent des mesures du temps d'arrivée des particules, les physiciens pourront distinguer les trajectoires individuelles et les reconstruire en 4D.
Le détecteur de temps a la forme d'un tonneau avec deuxembouts, et son joint hermétique empêchera la perte d'énergie et empêchera la poussière d'entrer. L'équipe de modernisation conçoit et construit actuellement des modules, des composants électroniques et des logiciels pour le détecteur temporaire.
Déclencheur et système de collecte de données
Détecteur CMS. Photo: Julian Knutzen
Le déclencheur CMS sélectionne potentiellement intéressantles événements de collision et capture les données pertinentes, en supprimant celles « inutiles » pour maintenir une quantité de données gérable. Lors de son exécution, l'un des nouveaux déclencheurs recevra des informations d'un tracker externe mis à niveau. Il utilisera l’intelligence artificielle et l’apprentissage automatique pour collecter la grande quantité de données attendues des collisions au LHC.
La mise à niveau du système d'acquisition de données permettra à l'équipe de collecter des données plus rapidement pour faire face à la fréquence accrue des collisions au LHC.
Calorimètres
CMS est équipé d'un canon et d'une extrémitécalorimètres - détecteurs qui mesurent l'énergie des particules. Fin - adjacent aux détecteurs internes et analyse les flux de particules provenant des collisions. Le calorimètre actuel sera complètement remplacé par un nouveau très détaillé. C'est le premier du genre à être utilisé dans une expérience de collisionneur.
Le détecteur aura une meilleure synchronisation etrésolution spatiale. De cette façon, les scientifiques reconstituent avec précision les nombreuses particules produites. Pour le construire, les employés assembleront des dizaines de milliers de modules avec de petits capteurs en silicium ou à scintillation. Les modules forment des centaines de cassettes avec circuits intégrés et électronique. Les données seront traitées directement au niveau du détecteur et transmises au système de collecte de données.
L'équipe modernise également une partie du calorimètre électromagnétique à canon. Le nouveau système sera utile pour gérer l'augmentation du flux de données.
Système de muons
La collecte d'informations sur les muons est essentiellepour CMS. Les muons issus des collisions de particules peuvent parcourir une distance assez importante sans interagir. C'est pourquoi la couche de détection est à l'extérieur des calorimètres.
Tunnel du LHC, secteur 3-4. Photo : Maximilien Brice (CERN), CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Le nouveau système de muons sera équipé d'un système modernisél'électronique, une meilleure résolution temporelle et une capacité accrue à détecter les muons émergeant du faisceau à un plus large éventail d'angles. Plusieurs nouvelles cartes électroniques traiteront et liront les données. Les ingénieurs améliorent également le micrologiciel et le logiciel utilisés pour contrôler l'électronique sur les cartes.
Toutes les mises à jour étendront considérablement les capacités de CMS à détecter les muons.
Et ensuite?
La mise à niveau du détecteur CMS est à différentsétapes, mais tout converge vers un point à la fin. Après des années de prototypage, les scientifiques créent ou achètent des pièces, fabriquent des composants système dans divers laboratoires américains, les testent par le biais d'expériences, puis les livrent au CERN pour expérimentation. Les scientifiques installeront les composants de mise à niveau lors de la troisième fermeture à long terme du LHC, prévue pour 2026-2028.
Après le lancement du HL-LHC, augmentation du volume de donnéesaidera les chercheurs dans la recherche de processus physiques rares et dans l’étude plus approfondie du boson de Higgs. Les scientifiques pensent que la « particule divine » fournit le mécanisme par lequel toutes les autres particules obtiennent leur masse. Cependant, les scientifiques ont encore beaucoup à apprendre sur l’Univers en étudiant avec plus de précision le boson connu.
Après tout, le boson de Higgs est tellementparticule fondamentale qu'il ne suffit pas de la découvrir. Les scientifiques ont besoin de beaucoup d'informations supplémentaires pour étudier toutes ses propriétés et faire une percée.
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Photo de couverture : Vidsplay dans le résumé