대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)에서 실험하는 동안 과학자들은 페타바이트 규모의 데이터를 수집하여
이번 10년 후반에 과학자들은고광도 LHC(HL-LHC)를 위한 현대화된 가속기로 작업하고 있습니다. 가장 높은 밝기로 더 많은 양성자와 충돌합니다. 그 도움으로 과학자들은 지금보다 5~7배 더 많은 충돌을 관찰할 계획입니다. 이제 연구자들은 증가된 밝기에 대처하기 위해 감지기를 개선하는 기술을 개발하고 있습니다.
어떤 업데이트가 예상되나요?
엔지니어가 여러 시스템을 업그레이드하고 있습니다.ATLAS 실험과 함께 2012년 힉스 입자 발견에 도움이 된 CMS(Compact Muon Solenoid) 실험. 전 세계의 대학과 연구소에서 온 수백 명의 사람들이 새로운 검출기 구성 요소를 설계, 구축 및 설치합니다. 이러한 기술은 10년 이상 운영되어 온 기존 실험을 개선할 것입니다.
전문가들은 6가지 핵심 영역을 업그레이드하고 있습니다.추적 시스템, 시간 감지기, 방아쇠 및 데이터 수집 시스템, 최종 열량계 및 배럴 열량계, 그리고 마지막으로 뮤온 시스템. CMS 과학자들은 검출기에서 입자 상호작용을 정확하게 측정하고 더 잘 재구성할 수 있을 것입니다. 이것은 우리 우주의 구조에 대한 새로운 이해로 이어질 것입니다.
트래커
CMS 추적기는 다음을 통과하는 입자의 경로를 표시합니다.자기장. 내부 픽셀 감지기와 외부 대역 통과 감지기의 두 가지 구성 요소로 구성되며 둘 다 완전히 교체할 수 있습니다. 추적기는 LHC 양성자 충돌 사이트에서 가장 가까운 업그레이드 대상 내부 영역입니다. HL-LHC는 양성자를 더 빨리 함께 밀기 때문에 입자 경로가 빠르게 형성되기 시작합니다.
CMS 감지기는 LHC에서의 현재 실행을 준비하기 위해 3년간의 가동 중지 기간 동안 여러 가지 업그레이드를 완료했습니다.
신용 및 저작권: Samuel Joseph Herzog, CERN
새로운 픽셀 감지기는 더높은 수준의 세부 사항. 과학자들은 모든 단일 입자를 실제로 감지할 수 있도록 더 빠른 속도와 더 높은 수준의 세부 사항이 필요합니다. 그렇지 않으면 과학자들이 그 지점을 볼 수 있을 정도로 많은 입자가 있을 것입니다.
공동 작업자는 전면에 8개의 디스크를 추가합니다.내부 추적기, 픽셀 감지기의 범위 확장. 데이터를 빠르게 처리하기 위해 팀은 수천 개의 작은 모듈을 조립하고 외부 추적기에 추가합니다. 여기에는 즉시 데이터 필터링 및 축소를 시작하는 센서 및 애플리케이션별 집적 회로 칩이 장착됩니다. 따라서 외부 추적기는 초당 4천만 번이라는 놀라운 속도로 정보를 처리합니다.
시간 검출기
시간 감지기는 경로 혼란을 줄입니다.입자가 검출기에 닿았을 때 연구원에게 정보를 제공합니다. 입자 도달 시간을 측정하는 전례 없는 정확도를 사용하여 물리학자들은 개별 궤적을 구별하고 4D로 재구성할 수 있습니다.
시간 감지기는 두 개의 배럴 모양을 가지고 있습니다.엔드 캡 및 밀폐형 씰은 에너지 손실을 방지하고 먼지를 차단합니다. 현대화 팀은 현재 임시 감지기를 위한 모듈, 전자 제품 및 소프트웨어를 설계하고 구축하고 있습니다.
트리거 및 데이터 수집 시스템
CMS 검출기. 사진: 줄리안 크누첸
CMS 트리거가 잠재적으로 흥미로운 항목을 선택합니다.충돌 이벤트를 파악하고 관련 데이터를 캡처하고 '불필요한' 데이터는 삭제하여 관리 가능한 양의 데이터를 유지합니다. 실행 시 새 트리거 중 하나가 업그레이드된 외부 추적기로부터 정보를 수신합니다. 인공지능과 머신러닝을 활용해 LHC 충돌로 예상되는 대량의 데이터를 수집할 예정이다.
데이터 수집 시스템을 업그레이드하면 팀이 LHC에서 증가하는 충돌 빈도를 따라잡기 위해 더 빠르게 데이터를 수집할 수 있습니다.
열량계
CMS에는 배럴과 엔드가 장착되어 있습니다.열량계 - 입자의 에너지를 측정하는 검출기. 끝 - 내부 감지기에 인접하여 충돌로 인한 입자 흐름을 분석합니다. 현재 열량계는 매우 상세한 새로운 열량계로 완전히 대체됩니다. 충돌기 실험에 사용된 최초의 장치입니다.
탐지기는 개선된 타이밍과공간 해상도. 이러한 방식으로 과학자들은 생성된 많은 입자를 정확하게 재구성합니다. 이를 구축하기 위해 직원들은 작은 실리콘 또는 섬광 센서로 수만 개의 모듈을 조립합니다. 모듈은 집적 회로와 전자 장치가 있는 수백 개의 카세트를 형성합니다. 데이터는 탐지기에서 직접 처리되어 데이터 수집 시스템으로 전송됩니다.
팀은 또한 배럴형 전자기 열량계의 일부를 업그레이드하고 있습니다. 새로운 시스템은 증가된 데이터 흐름을 처리하는 데 유용할 것입니다.
뮤온계
뮤온에 대한 정보 수집이 관건CMS용. 입자 충돌로 인한 뮤온은 상호 작용 없이 꽤 먼 거리를 이동할 수 있습니다. 이것이 검출기 층이 열량계 외부에 있는 이유입니다.
LHC 터널, 섹터 3-4. 사진: Maximilien Brice(CERN), CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons를 통해
새로운 muon 시스템은 현대화된전자공학, 더 나은 시간 분해능, 더 넓은 범위의 각도에서 빔에서 나오는 뮤온을 감지하는 능력이 향상되었습니다. 여러 개의 새로운 전자 기판이 데이터를 처리하고 읽을 것입니다. 엔지니어들은 또한 보드의 전자 장치를 제어하는 데 사용되는 펌웨어와 소프트웨어를 개선하고 있습니다.
모든 업데이트는 뮤온을 감지하는 CMS의 기능을 크게 확장합니다.
다음은 무엇입니까?
CMS 감지기 업그레이드가 다른 위치에 있습니다.그러나 모든 것은 결국 한 점으로 수렴됩니다. 수년간의 프로토타입 제작 끝에 과학자들은 부품을 만들거나 구매하고 다양한 미국 연구소에서 시스템 구성 요소를 제작하고 실험을 통해 테스트한 다음 실험을 위해 CERN에 전달합니다. 과학자들은 2026-2028년으로 예정된 LHC의 세 번째 장기 폐쇄 기간 동안 업그레이드 구성 요소를 설치할 것입니다.
HL-LHC 출시 이후 데이터량 증가연구자들이 희귀한 물리적 과정을 찾고 힉스 보존에 대한 추가 연구를 하는 데 도움이 될 것입니다. 과학자들은 "신의 입자"가 다른 모든 입자가 자신의 질량을 얻는 메커니즘을 제공한다고 믿습니다. 그러나 과학자들은 알려진 보존을 더 정확하게 연구함으로써 우주에 대해 아직도 배울 것이 많습니다.
결국 힉스 입자는발견하는 것만으로는 충분하지 않다는 근본적인 입자. 과학자들은 모든 속성을 연구하고 돌파구를 만들기 위해 많은 추가 정보가 필요합니다.
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표지 사진: Vidsplay in Abstract