Oczekuje się, że podczas eksperymentów w Wielkim Zderzaczu Hadronów naukowcy zgromadzą petabajty danych
Jeszcze w tym dziesięcioleciu naukowcy zaczną to robićpraca ze zmodernizowanym akceleratorem dla LHC o dużej jasności (HL-LHC). Zderzy więcej protonów o najwyższej jasności. Za jego pomocą naukowcy planują zaobserwować pięć do siedmiu razy (co najmniej) więcej zderzeń niż obecnie. Obecnie badacze tworzą technologie mające na celu ulepszenie detektorów, aby radziły sobie ze zwiększoną jasnością.
Jakich aktualizacji się spodziewać?
Inżynierowie aktualizują wiele systemóweksperyment CMS (Compact Muon Solenoid), który pomógł odkryć bozon Higgsa w 2012 roku, wraz z eksperymentem ATLAS. Setki osób z uniwersytetów i laboratoriów na całym świecie projektują, budują i instalują nowe elementy detektorów. Technologie te ulepszą istniejący eksperyment, który działa od ponad dekady.
Eksperci ulepszają sześć kluczowych obszarów:system śledzenia, detektor czasu, system wyzwalania i akwizycji danych, a także kalorymetr końcowy i kalorymetr beczkowy, wreszcie system mionowy. Naukowcy z CMS będą mogli dokładnie mierzyć i lepiej rekonstruować interakcje cząstek w detektorze. Doprowadzi to do nowego zrozumienia struktury naszego Wszechświata.
naganiacz zwierza
Tracker CMS wyświetla ścieżkę cząsteczki przezpole magnetyczne. Składa się z dwóch elementów, wewnętrznego detektora pikseli i zewnętrznego detektora pasmowoprzepustowego, z których oba są całkowicie wymienne. Tracker to wewnętrzny obszar, który ma zostać zmodernizowany, najbliżej miejsca kolizji protonów w LHC. Ponieważ HL-LHC zepchnie protony szybciej, tory cząstek zaczną się szybko nawarstwiać.
Detektor CMS przeprowadził kilka modernizacji podczas trzyletniego przestoju, aby przygotować się do bieżącej pracy w LHC.
Źródło i prawa autorskie: Samuel Joseph Herzog, CERN
Nowy detektor pikseli to więcejwysoki stopień szczegółowości. Naukowcy potrzebują większych prędkości i wyższych poziomów szczegółowości, aby faktycznie mogli wykryć każdą pojedynczą cząsteczkę. W przeciwnym razie będzie tyle cząstek, że naukowcy zobaczą tylko plamkę.
Współpracownicy dodadzą osiem płyt z przoduwewnętrzny tracker, rozszerzający zasięg detektora pikseli. Aby szybko przetwarzać dane, zespół złoży i doda tysiące małych modułów do zewnętrznego trackera. Zostaną wyposażone w czujniki i układy scalone dostosowane do konkretnych zastosowań, które natychmiast zaczną filtrować i redukować dane. Tak więc zewnętrzny tracker będzie przetwarzał informacje z oszałamiającą prędkością - 40 milionów razy na sekundę.
Detektor czasu
Detektor czasu zmniejsza bałagan na ścieżcecząstek, dostarczając naukowcom informacji o tym, kiedy cząsteczka weszła do detektora. Korzystając z niespotykanej dotąd dokładności pomiarów czasu przybycia cząstek, fizycy będą mogli rozróżniać poszczególne trajektorie i rekonstruować je w 4D.
Detektor czasu ma kształt beczki z dwomazaślepki, a ich hermetyczne uszczelnienie zapobiega utracie energii i chroni przed kurzem. Zespół modernizacyjny projektuje i buduje moduły, elektronikę i oprogramowanie do tymczasowej czujki.
System wyzwalania i zbierania danych
Detektor CMS. Zdjęcie: Julian Knutzen
Wyzwalacz CMS wybiera potencjalnie interesującezdarzenia kolizyjne i przechwytuje odpowiednie dane, odrzucając „niepotrzebne”, aby zachować możliwą do zarządzania ilość danych. Podczas działania jeden z nowych wyzwalaczy otrzyma informacje z uaktualnionego zewnętrznego modułu śledzącego. Wykorzysta sztuczną inteligencję i uczenie maszynowe do gromadzenia dużej ilości danych oczekiwanych w wyniku zderzeń w LHC.
Modernizacja systemu akwizycji danych pozwoli zespołowi na szybsze gromadzenie danych, aby nadążyć za zwiększoną częstotliwością kolizji w LHC.
Kalorymetry
CMS jest wyposażony w lufę i końcówkękalorymetry - detektory mierzące energię cząstek. Koniec - przylega do wewnętrznych detektorów i analizuje przepływy cząstek z kolizji. Obecny kalorymetr zostanie całkowicie zastąpiony nowym, bardzo szczegółowym. Jest to pierwsze tego typu urządzenie, które zostanie użyte w eksperymencie zderzacza.
Detektor będzie miał poprawiony czas irozkład przestrzenny. W ten sposób naukowcy dokładnie rekonstruują wiele wyprodukowanych cząstek. Aby go zbudować, pracownicy zmontują dziesiątki tysięcy modułów z małymi czujnikami krzemowymi lub scyntylacyjnymi. Moduły tworzą setki kaset z układami scalonymi i elektroniką. Dane będą przetwarzane bezpośrednio w detektorze i przesyłane do systemu zbierania danych.
Zespół modernizuje również część beczkowego kalorymetru elektromagnetycznego. Nowy system przyda się do obsługi zwiększonego przepływu danych.
System mionowy
Zbieranie informacji o mionach jest kluczowedla CMS. Miony pochodzące ze zderzeń cząstek mogą przebyć spory dystans bez interakcji. Dlatego warstwa detektora znajduje się poza kalorymetrami.
Tunel LHC, sektor 3-4. Zdjęcie: Maximilien Brice (CERN), CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Nowy system mionowy zostanie wyposażony w zmodernizowanyelektronika, lepsza rozdzielczość czasowa i zwiększona zdolność wykrywania mionów wyłaniających się z wiązki pod szerszym zakresem kątów. Kilka nowych kart elektronicznych będzie przetwarzać i odczytywać dane. Inżynierowie ulepszają również firmware i oprogramowanie służące do sterowania elektroniką na płytkach.
Wszystkie aktualizacje znacznie rozszerzą możliwości CMS w zakresie wykrywania mionów.
Co dalej?
Aktualizacja detektora CMS jest innaetapy, ale na końcu wszystko zbiega się w jednym punkcie. Po latach prototypowania naukowcy tworzą lub kupują części, wytwarzają komponenty systemu w różnych laboratoriach w USA, testują je eksperymentalnie, a następnie dostarczają do CERN w celu przeprowadzenia eksperymentów. Naukowcy zainstalują komponenty modernizacyjne podczas trzeciego długiego przestoju LHC, zaplanowanego na lata 2026-2028.
Po uruchomieniu HL-LHC wzrosła ilość danychpomoże naukowcom w poszukiwaniu rzadkich procesów fizycznych i dalszych badaniach bozonu Higgsa. Naukowcy uważają, że „boska cząstka” zapewnia mechanizm, dzięki któremu wszystkie inne cząstki uzyskują swoją masę. Jednak naukowcy wciąż mają wiele do nauczenia się o Wszechświecie, badając znany bozon z większą precyzją.
W końcu bozon Higgsa jest taki…fundamentalna cząstka, że samo jej odkrycie nie wystarczy. Naukowcy potrzebują wielu dodatkowych informacji, aby zbadać wszystkie jego właściwości i dokonać przełomu.
Czytaj więcej:
Starożytni Wikingowie cierpieli na niebezpieczną chorobę. Wywołuje ją pasożyt z Afryki
Roślina na Marsie produkuje tlen w tempie przeciętnego drzewa
Fizycy schłodzili atomy do rekordowych temperatur. Są miliard razy zimniejsze niż przestrzeń kosmiczna.
Zdjęcie na okładce: Vidsplay w abstrakcji