大型ハドロン衝突型加速器での実験では、ペタバイト規模のデータが収集されると予想されています。
この 10 年の後半、科学者たちは高輝度 LHC (HL-LHC) 用の最新の加速器を使用しています。最高の輝度でより多くの陽子を衝突させます。その助けを借りて、科学者たちは現在より（少なくとも）5〜7倍の衝突を観察することを計画しています。現在、研究者たちは、明るさの増加に対処するために検出器を改良する技術を開発しています。
どのような更新を期待しますか?
エンジニアは複数のシステムをアップグレードしています2012 年にヒッグス粒子の発見に貢献した CMS (Compact Muon Solenoid) 実験と、ATLAS 実験。世界中の大学や研究所の何百人もの人々が、新しい検出器コンポーネントを設計、構築、設置しています。これらの技術は、10 年以上にわたって運用されてきた既存の実験を改善します。
専門家は 6 つの主要分野をアップグレードしています。追跡システム、時間検出器、トリガーとデータ取得システム、エンドカロリメーターとバレルカロリメーター、そして最後にミューオンシステムです。 CMS の科学者は、検出器内の粒子の相互作用を正確に測定し、より適切に再構築できるようになります。これは、私たちの宇宙の構造についての新しい理解につながります。
トラッカー
CMS トラッカーは、通過する粒子のパスを表示します。磁場。内部ピクセル検出器と外部バンドパス検出器の 2 つのコンポーネントで構成されており、どちらも完全に交換可能です。トラッカーは、LHC 陽子衝突サイトに最も近い、アップグレードされる内部領域です。 HL-LHC は陽子をより速く一緒に押すため、粒子の経路が急速に構築され始めます。
CMS 検出器は、LHC での現在の稼働に備えて、3 年間のダウンタイム中にいくつかのアップグレードを完了しました。
クレジットと著作権: Samuel Joseph Herzog、CERN
新しいピクセル検出器はさらに高度な詳細。科学者は、すべての粒子を実際に検出できるように、より高速で詳細なレベルを必要としています。そうしないと、粒子が多すぎて、科学者がスポットを見るだけになってしまいます。
協力者は前面に 8 つのディスクを追加します内部トラッカー、ピクセル検出器の範囲を拡大します。データを迅速に処理するために、チームは何千もの小さなモジュールを組み立てて、外部トラッカーに追加します。それらには、データのフィルタリングと削減をすぐに開始するセンサーとアプリケーション固有の集積回路チップが装備されます。そのため、外部トラッカーは驚異的な速度で情報を処理します - 毎秒 4000 万回。
時間検出器
時間検出器が経路の乱雑さを軽減これにより、粒子が検出器に入った時期に関する情報が研究者に提供されます。粒子到着時間測定の前例のない精度を使用して、物理学者は個々の軌道を区別し、4D で再構築することができます。
時間検出器は、2 つのバレルの形をしています。エンド キャップ、およびその気密シールは、エネルギーの損失を防ぎ、埃を寄せ付けません。近代化チームは現在、一時的な検出器用のモジュール、電子機器、およびソフトウェアを設計および構築しています。
トリガーとデータ収集システム
CMS 検出器。写真：ジュリアン・クヌツェン
CMS トリガーが潜在的に興味深いものを選択します衝突イベントを検出して関連データをキャプチャし、管理可能な量のデータを維持するために「不要な」データを破棄します。実行中、新しいトリガーの 1 つは、アップグレードされた外部トラッカーから情報を受け取ります。人工知能と機械学習を使用して、LHC での衝突で予想される大量のデータを収集します。
データ取得システムをアップグレードすることで、チームは LHC での衝突頻度の増加に対応するためにデータをより迅速に収集できるようになります。
熱量計
CMSにはバレルとエンドが装備されています熱量計 - 粒子のエネルギーを測定する検出器。 End - 内部検出器に隣接し、衝突からの粒子の流れを分析します。現在の熱量計は、非常に詳細な新しい熱量計に完全に置き換えられます。コライダー実験で使用されたのはこの種のものとしては初めてです。
検出器のタイミングが改善され、空間解像度。このようにして、科学者は生成された多くの粒子を正確に再構成します。それを構築するために、従業員は小さなシリコンまたはシンチレーション センサーを備えた何万ものモジュールを組み立てます。モジュールは、集積回路と電子機器を備えた何百ものカセットを形成します。データは検出器で直接処理され、データ収集システムに送信されます。
チームはまた、バレル電磁熱量計の一部をアップグレードしています。新しいシステムは、増加したデータ フローを処理するのに役立ちます。
ミュオンシステム
ミューオンの情報収集がカギCMS用。粒子の衝突によるミュオンは、相互作用することなくかなりの距離を移動できます。検出層が熱量計の外にあるのはそのためです。
LHC トンネル、セクター 3-4。写真: Maximilien Brice (CERN)、CC BY-SA 3.0、Wikimedia Commons 経由
新しいミューオンシステムには、最新の電子工学、より良い時間分解能、およびビームから出てくるミューオンをより広い範囲の角度で検出する能力の向上。いくつかの新しい電子ボードがデータを処理および読み取ります。エンジニアは、ボード上の電子機器を制御するために使用されるファームウェアとソフトウェアも改善しています。
すべての更新により、ミューオンを検出する CMS の機能が大幅に拡張されます。
次は何ですか？
CMS 検出器のアップグレードは別の場所にあります段階ですが、最終的にはすべてが一点に収束します。何年にもわたる試作の後、科学者は部品を作成または購入し、米国のさまざまな研究所でシステム コンポーネントを製造し、実験を通じてそれらをテストし、実験のために CERN に納品します。科学者は、2026 年から 2028 年に予定されている LHC の 3 回目の長期閉鎖中に、アップグレード コンポーネントをインストールします。
HL-LHC発売後、データ量が増加研究者が希少な物理過程を探索し、ヒッグス粒子をさらに研究するのに役立ちます。科学者たちは、「神の粒子」が他のすべての粒子がその質量を得るメカニズムを提供すると信じています。しかし、科学者たちは既知のボソンをより正確に研究することで、宇宙について学ぶべきことがまだたくさんあります。
やっぱりヒッグス粒子は発見しただけでは不十分な素粒子。科学者は、そのすべての特性を研究し、突破口を開くために、多くの追加情報を入手する必要があります.
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カバー写真: 抽象的な Vidsplay