Experiment vid Large Hadron Collider förväntas samla in petabyte med data till
Senare detta decennium kommer forskare att börjaarbetar med en moderniserad accelerator för High-Luminosity LHC (HL-LHC). Det kommer att kollidera med fler protoner med den högsta ljusstyrkan. Med dess hjälp planerar forskare att observera fem till sju gånger (minst) fler kollisioner än nu. Nu skapar forskare teknologier för att förbättra detektorer för att klara av den ökade ljusstyrkan.
Vilka uppdateringar kan du förvänta dig?
Ingenjörer uppgraderar flera systemCMS-experimentet (Compact Muon Solenoid), som hjälpte till att upptäcka Higgs-bosonen 2012, tillsammans med ATLAS-experimentet. Hundratals människor från universitet och laboratorier runt om i världen designar, bygger och installerar nya detektorkomponenter. Dessa tekniker kommer att förbättras på ett befintligt experiment som har varit i drift i mer än ett decennium.
Experter uppgraderar sex nyckelområden:ett spårningssystem, en tidsdetektor, en trigger och ett datainsamlingssystem, samt en slutkalorimeter och en fatkalorimeter, och slutligen ett myonsystem. CMS-forskare kommer att kunna noggrant mäta och bättre rekonstruera partikelinteraktioner i detektorn. Detta kommer att leda till en ny förståelse av strukturen i vårt universum.
spårare
CMS-spåraren visar partikelns väg genomett magnetfält. Den består av två komponenter, en intern pixeldetektor och en extern bandpassdetektor, som båda är helt utbytbara. Trackern är det inre område som ska uppgraderas närmast LHC-protonkollisionsplatsen. Eftersom HL-LHC kommer att pressa ihop protonerna snabbare, kommer partikelvägarna att börja byggas upp snabbt.
CMS-detektorn genomförde flera uppgraderingar under en treårig stilleståndstid för att förbereda för sin nuvarande körning vid LHC.
Kredit och upphovsrätt: Samuel Joseph Herzog, CERN
Den nya pixeldetektorn är meren hög detaljgrad. Forskare behöver högre hastigheter och högre detaljnivåer så att de faktiskt kan upptäcka varje enskild partikel. Annars kommer det att finnas så många partiklar att forskarna bara kommer att se platsen.
Samarbetspartners kommer att lägga till åtta skivor på framsidanintern tracker, utökar täckningen av pixeldetektorn. För att snabbt bearbeta data kommer teamet att montera och lägga till tusentals små moduler till en extern spårare. De kommer att utrustas med sensorer och applikationsspecifika integrerade kretschips som omedelbart börjar filtrera och reducera data. Så den externa spåraren kommer att bearbeta information med en svindlande hastighet - 40 miljoner gånger per sekund.
Tidsdetektor
Tidsdetektorn minskar stök i vägenpartiklar, vilket ger forskare information om när partikeln kom in i detektorn. Med hjälp av den oöverträffade noggrannheten i mätningar av partikelns ankomsttid kommer fysiker att kunna särskilja individuella banor och rekonstruera dem i 4D.
Tidsdetektorn har formen av en pipa med tvåändlock och dess hermetiska tätning förhindrar energiförlust och håller damm borta. Moderniseringsteamet designar och bygger nu moduler, elektronik och mjukvara för den tillfälliga detektorn.
Trigger och datainsamlingssystem
CMS detektor. Foto: Julian Knutzen
CMS-utlösare väljer potentiellt intressantakollisionshändelser och fångar relevant data och kasserar "onödiga" för att behålla en hanterbar mängd data. När den körs kommer en av de nya triggarna att få information från en uppgraderad extern tracker. Den kommer att använda artificiell intelligens och maskininlärning för att samla in den stora mängd data som förväntas från kollisioner vid LHC.
Uppgradering av datainsamlingssystemet kommer att tillåta teamet att samla in data snabbare för att hålla jämna steg med den ökade frekvensen av kollisioner vid LHC.
Kalorimetrar
CMS är utrustad med pipa och gavelkalorimetrar - detektorer som mäter partiklars energi. End - i anslutning till de interna detektorerna och analyserar partikelflöden från kollisioner. Den nuvarande kalorimetern kommer att helt ersättas av en ny mycket detaljerad. Det är det första i sitt slag som används i ett kolliderexperiment.
Detektorn kommer att ha förbättrad timing ochoptisk upplösning. På detta sätt rekonstruerar forskare de många partiklar som produceras korrekt. För att bygga den kommer anställda att montera tiotusentals moduler med små kisel- eller scintillationssensorer. Modulerna bildar hundratals kassetter med integrerade kretsar och elektronik. Uppgifterna kommer att behandlas direkt vid detektorn och överföras till datainsamlingssystemet.
Teamet uppgraderar också en del av den elektromagnetiska kalorimetern. Det nya systemet kommer väl till pass för att hantera det ökade dataflödet.
Muon system
Att samla information om myoner är nyckelnför CMS. Myoner från partikelkollisioner kan färdas ganska långt utan att interagera. Det är därför detektorlagret ligger utanför kalorimetrarna.
LHC-tunnel, sektor 3-4. Foto: Maximilien Brice (CERN), CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Det nya muonsystemet kommer att utrustas med en moderniseradelektronik, bättre tidsupplösning och ökad förmåga att upptäcka myoner som kommer ut från strålen i ett större spektrum av vinklar. Flera nya elektroniska kort kommer att bearbeta och läsa data. Ingenjörerna förbättrar också firmware och mjukvara som används för att styra elektroniken på korten.
Alla uppdateringar kommer att avsevärt utöka funktionerna i CMS för att upptäcka myoner.
Vad är nästa?
Uppgraderingen av CMS-detektorn är annorlundaetapper, men allt konvergerar till en punkt till slut. Efter år av prototyper skapar eller köper forskare delar, tillverkar systemkomponenter i olika amerikanska labb, testar dem genom experiment och levererar dem sedan till CERN för experiment. Forskarna kommer att installera uppgraderingskomponenterna under LHC:s tredje långa avstängning, planerad till 2026-2028.
Efter lanseringen av HL-LHC ökade datavolymenkommer att hjälpa forskare i sökandet efter sällsynta fysiska processer och vidare studier av Higgs-bosonen. Forskare tror att "gudspartikeln" tillhandahåller mekanismen genom vilken alla andra partiklar får sin massa. Men forskare har fortfarande mycket att lära sig om universum genom att studera det kända bosonet med större precision.
När allt kommer omkring är Higgs-bosonen såfundamental partikel att det inte räcker att bara upptäcka den. Forskare behöver ha mycket ytterligare information för att studera alla dess egenskaper och göra ett genombrott.
Läs mer:
De gamla vikingarna led av en farlig sjukdom. Det orsakas av en parasit från Afrika
Anläggningen på Mars producerar syre i samma takt som ett genomsnittligt träd
Fysiker har kylt atomer för att registrera temperaturer. De är en miljard gånger kallare än yttre rymden.
Omslagsfoto: Vidsplay in Abstract