Si prevede che gli esperimenti al Large Hadron Collider raccoglieranno petabyte di dati
Entro la fine di questo decennio, gli scienziati inizieranno a farlolavorando con un acceleratore modernizzato per l'LHC ad alta luminosità (HL-LHC). Si scontrerà più protoni con la massima luminosità. Con il suo aiuto, gli scienziati prevedono di osservare da cinque a sette volte (almeno) un numero maggiore di collisioni rispetto a oggi. Ora i ricercatori stanno creando tecnologie per migliorare i rilevatori e far fronte all’aumento della luminosità.
Quali aggiornamenti aspettarsi?
Gli ingegneri stanno aggiornando più sistemil'esperimento CMS (Compact Muon Solenoid), che ha aiutato a scoprire il bosone di Higgs nel 2012, insieme all'esperimento ATLAS. Centinaia di persone provenienti da università e laboratori di tutto il mondo progettano, costruiscono e installano nuovi componenti del rivelatore. Queste tecnologie miglioreranno un esperimento esistente che è in funzione da più di un decennio.
Gli esperti stanno aggiornando sei aree chiave:un sistema di tracciamento, un rilevatore di tempo, un trigger e un sistema di acquisizione dati, oltre a un calorimetro finale e un calorimetro a botte, e infine un sistema a muoni. Gli scienziati del CMS saranno in grado di misurare con precisione e ricostruire meglio le interazioni delle particelle nel rivelatore. Questo porterà a una nuova comprensione della struttura del nostro Universo.
inseguitore
Il tracker CMS mostra il percorso della particellaun campo magnetico. È costituito da due componenti, un rilevatore di pixel interno e un rilevatore passa-banda esterno, entrambi completamente sostituibili. Il tracker è l'area interna da aggiornare più vicina al sito di collisione di protoni LHC. Poiché l'HL-LHC spingerà insieme i protoni più velocemente, i percorsi delle particelle inizieranno ad accumularsi rapidamente.
Il rilevatore CMS ha completato diversi aggiornamenti durante un periodo di inattività di tre anni per prepararsi al suo attuale funzionamento presso l'LHC.
Credito e copyright: Samuel Joseph Herzog, CERN
Il nuovo rilevatore di pixel è di piùun alto grado di dettaglio. Gli scienziati hanno bisogno di velocità più elevate e livelli di dettaglio più elevati in modo da poter effettivamente rilevare ogni singola particella. Altrimenti, ci saranno così tante particelle che gli scienziati vedranno semplicemente il punto.
I collaboratori aggiungeranno otto dischi in testatracker interno, ampliando la copertura del rilevatore di pixel. Per elaborare rapidamente i dati, il team assemblerà e aggiungerà migliaia di piccoli moduli a un tracker esterno. Saranno dotati di sensori e chip di circuiti integrati specifici dell'applicazione che inizieranno immediatamente a filtrare e ridurre i dati. Quindi il tracker esterno elaborerà le informazioni a una velocità sbalorditiva: 40 milioni di volte al secondo.
Rilevatore di tempo
Il rilevatore di tempo riduce l'ingombro del percorsoparticelle, fornendo ai ricercatori informazioni su quando la particella è entrata nel rivelatore. Utilizzando l'accuratezza senza precedenti delle misurazioni del tempo di arrivo delle particelle, i fisici saranno in grado di distinguere le singole traiettorie e ricostruirle in 4D.
Il rilevatore di tempo ha la forma di un barile con duei cappucci terminali e la sua chiusura ermetica prevengono la perdita di energia e tengono lontana la polvere. Il team di modernizzazione sta ora progettando e costruendo moduli, elettronica e software per il rilevatore temporaneo.
Trigger e sistema di raccolta dati
Rivelatore CMS. Foto: Julian Knutzen
Il trigger CMS seleziona potenzialmente interessanteeventi di collisione e acquisisce i dati rilevanti, scartando quelli "non necessari" per mantenere una quantità di dati gestibile. Durante l'esecuzione, uno dei nuovi trigger riceverà informazioni da un tracker esterno aggiornato. Utilizzerà l'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico per raccogliere la grande quantità di dati previsti dalle collisioni presso l'LHC.
L'aggiornamento del sistema di acquisizione dati consentirà al team di raccogliere dati più velocemente per stare al passo con la maggiore frequenza di collisioni all'LHC.
Calorimetri
CMS è dotato di canna e finecalorimetri - rivelatori che misurano l'energia delle particelle. Fine - adiacente ai rivelatori interni e analizza i flussi di particelle dalle collisioni. L'attuale calorimetro sarà completamente sostituito da uno nuovo altamente dettagliato. È il primo del suo genere ad essere utilizzato in un esperimento di collisione.
Il rivelatore avrà tempi e tempi miglioratirisoluzione spaziale. In questo modo, gli scienziati ricostruiscono accuratamente le numerose particelle prodotte. Per costruirlo, i dipendenti assembleranno decine di migliaia di moduli con piccoli sensori al silicio oa scintillazione. I moduli formano centinaia di cassette con circuiti integrati ed elettronica. I dati saranno trattati direttamente presso il rivelatore e trasmessi al sistema di raccolta dati.
Il team sta anche aggiornando parte del calorimetro elettromagnetico a canna. Il nuovo sistema tornerà utile per gestire l'aumento del flusso di dati.
Sistema muonico
La raccolta di informazioni sui muoni è fondamentaleper CMS. I muoni delle collisioni di particelle possono viaggiare a una certa distanza senza interagire. Ecco perché lo strato rivelatore è al di fuori dei calorimetri.
Tunnel LHC, settore 3-4. Foto: Maximilien Brice (CERN), CC BY-SA 3.0, tramite Wikimedia Commons
Il nuovo sistema muonico sarà dotato di un impianto modernizzatoelettronica, migliore risoluzione temporale e maggiore capacità di rilevare i muoni che emergono dal raggio a una più ampia gamma di angoli. Diverse nuove schede elettroniche elaboreranno e leggeranno i dati. Gli ingegneri stanno anche migliorando il firmware e il software utilizzati per controllare l'elettronica sulle schede.
Tutti gli aggiornamenti amplieranno significativamente le capacità di CMS di rilevare i muoni.
Qual è il prossimo?
L'aggiornamento del rivelatore CMS è diversofasi, ma tutto converge in un punto alla fine. Dopo anni di prototipazione, gli scienziati creano o acquistano parti, fabbricano componenti di sistema in vari laboratori statunitensi, li testano attraverso esperimenti e poi li consegnano al CERN per la sperimentazione. Gli scienziati installeranno i componenti di aggiornamento durante la terza chiusura a lungo termine dell'LHC, prevista per il 2026-2028.
Dopo il lancio di HL-LHC, aumento del volume di datiaiuterà i ricercatori nella ricerca di processi fisici rari e nell'ulteriore studio del bosone di Higgs. Gli scienziati ritengono che la "particella divina" fornisca il meccanismo attraverso il quale tutte le altre particelle ottengono la loro massa. Tuttavia, gli scienziati hanno ancora molto da imparare sull’Universo studiando il bosone conosciuto con maggiore precisione.
Dopotutto, il bosone di Higgs è cosìparticella fondamentale che il solo scoprirlo non basta. Gli scienziati hanno bisogno di molte informazioni aggiuntive per studiarne tutte le proprietà e fare una svolta.
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