ในระหว่างการทดลองที่เครื่องชนแฮดรอนขนาดใหญ่ นักวิทยาศาสตร์คาดว่าจะรวบรวมข้อมูลได้หลายเพตะไบต์
ปลายทศวรรษนี้นักวิทยาศาสตร์จะเริ่มมีทำงานร่วมกับคันเร่งที่ทันสมัยสำหรับ High-Luminosity LHC (HL-LHC) มันจะชนโปรตอนที่มีความสว่างสูงสุดมากขึ้น ด้วยความช่วยเหลือนี้ นักวิทยาศาสตร์วางแผนที่จะสังเกตการชนกันมากกว่าตอนนี้ห้าถึงเจ็ดครั้ง (อย่างน้อย) ขณะนี้นักวิจัยกำลังสร้างเทคโนโลยีเพื่อปรับปรุงเครื่องตรวจจับให้รับมือกับความสว่างที่เพิ่มขึ้น
คาดว่าจะมีการอัปเดตอะไรบ้าง
วิศวกรกำลังอัพเกรดหลายระบบการทดลอง CMS (Compact Muon Solenoid) ซึ่งช่วยค้นพบ Higgs boson ในปี 2012 พร้อมกับการทดลอง ATLAS ผู้คนหลายร้อยคนจากมหาวิทยาลัยและห้องปฏิบัติการทั่วโลกออกแบบ สร้าง และติดตั้งส่วนประกอบเครื่องตรวจจับใหม่ เทคโนโลยีเหล่านี้จะปรับปรุงจากการทดลองที่มีอยู่ซึ่งดำเนินการมากว่าทศวรรษ
ผู้เชี่ยวชาญกำลังอัพเกรด 6 ประเด็นหลัก:ระบบติดตาม ตัวตรวจจับเวลา ทริกเกอร์และระบบเก็บข้อมูล เช่นเดียวกับเครื่องวัดปริมาณความร้อนที่ปลายสุดและมาตรวัดปริมาณความร้อนแบบบาร์เรล และสุดท้ายคือระบบมิวออน นักวิทยาศาสตร์ของ CMS จะสามารถวัดได้อย่างถูกต้องและสร้างปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคในเครื่องตรวจจับได้ดีขึ้น สิ่งนี้จะนำไปสู่ความเข้าใจใหม่เกี่ยวกับโครงสร้างของจักรวาลของเรา
ตัวติดตาม
ตัวติดตาม CMS แสดงเส้นทางของอนุภาคผ่านสนามแม่เหล็ก ประกอบด้วยสององค์ประกอบ ได้แก่ ตัวตรวจจับพิกเซลภายในและตัวตรวจจับแบนด์พาสภายนอก ซึ่งทั้งสองส่วนสามารถเปลี่ยนได้ทั้งหมด ตัวติดตามคือพื้นที่ภายในที่จะอัพเกรดให้ใกล้กับจุดชนกันของโปรตอน LHC มากที่สุด เนื่องจาก HL-LHC จะผลักโปรตอนเข้าด้วยกันเร็วขึ้น เส้นทางของอนุภาคจะเริ่มก่อตัวขึ้นอย่างรวดเร็ว
เครื่องตรวจจับ CMS อัปเกรดหลายครั้งในช่วงหยุดทำงานสามปี เพื่อเตรียมพร้อมสำหรับการทำงานปัจจุบันที่ LHC
เครดิตและลิขสิทธิ์: Samuel Joseph Herzog, CERN
เครื่องตรวจจับพิกเซลใหม่มีมากขึ้นรายละเอียดระดับสูง นักวิทยาศาสตร์ต้องการความเร็วที่สูงขึ้นและรายละเอียดในระดับที่สูงขึ้นเพื่อให้สามารถตรวจจับทุกอนุภาคได้จริง มิฉะนั้นจะมีอนุภาคมากมายที่นักวิทยาศาสตร์จะได้เห็นจุดนั้น
ผู้ทำงานร่วมกันจะเพิ่มแผ่นดิสก์แปดแผ่นที่ด้านหน้าตัวติดตามภายใน ขยายความครอบคลุมของตัวตรวจจับพิกเซล เพื่อประมวลผลข้อมูลอย่างรวดเร็ว ทีมงานจะรวบรวมและเพิ่มโมดูลขนาดเล็กหลายพันโมดูลไปยังตัวติดตามภายนอก พวกเขาจะติดตั้งเซ็นเซอร์และชิปวงจรรวมเฉพาะแอปพลิเคชันที่จะเริ่มกรองและลดข้อมูลทันที ดังนั้นตัวติดตามภายนอกจะประมวลผลข้อมูลด้วยความเร็วที่น่าทึ่ง - 40 ล้านครั้งต่อวินาที
เครื่องตรวจจับเวลา
ตัวตรวจจับเวลาช่วยลดความยุ่งเหยิงของเส้นทางอนุภาค โดยให้ข้อมูลแก่นักวิจัยเกี่ยวกับเวลาที่อนุภาคเข้าสู่เครื่องตรวจจับ การใช้ความแม่นยำที่ไม่เคยมีมาก่อนของการวัดเวลาที่มาถึงของอนุภาค นักฟิสิกส์จะสามารถแยกแยะวิถีแต่ละเส้นและสร้างใหม่ใน 4D
ตัวตรวจจับเวลามีรูปร่างของลำกล้องปืนที่มีสองฝาปิดท้ายและซีลสุญญากาศจะป้องกันการสูญเสียพลังงานและกันฝุ่น ขณะนี้ทีมปรับปรุงให้ทันสมัยกำลังออกแบบและสร้างโมดูล อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และซอฟต์แวร์สำหรับเครื่องตรวจจับชั่วคราว
ระบบทริกเกอร์และรวบรวมข้อมูล
เครื่องตรวจจับ CMS ภาพถ่าย: “Julian Knutzen”
ทริกเกอร์ CMS เลือกที่อาจน่าสนใจเหตุการณ์การชนกันและบันทึกข้อมูลที่เกี่ยวข้อง โดยละทิ้งเหตุการณ์ที่ "ไม่จำเป็น" เพื่อรักษาปริมาณข้อมูลที่สามารถจัดการได้ เมื่อทำงาน ทริกเกอร์ใหม่ตัวใดตัวหนึ่งจะได้รับข้อมูลจากตัวติดตามภายนอกที่อัปเกรดแล้ว จะใช้ปัญญาประดิษฐ์และการเรียนรู้ของเครื่องเพื่อรวบรวมข้อมูลจำนวนมากที่คาดว่าจะเกิดขึ้นจากการชนที่ LHC
การอัพเกรดระบบการรับข้อมูลจะช่วยให้ทีมรวบรวมข้อมูลได้เร็วขึ้นเพื่อให้ทันกับความถี่ที่เพิ่มขึ้นของการชนที่ LHC
แคลอรีมิเตอร์
CMS ติดตั้งกระบอกและปลายเครื่องวัดความร้อน - เครื่องตรวจจับที่วัดพลังงานของอนุภาค สิ้นสุด - ติดกับเครื่องตรวจจับภายในและวิเคราะห์การไหลของอนุภาคจากการชนกัน แคลอรีมิเตอร์ปัจจุบันจะถูกแทนที่ด้วยเครื่องใหม่ที่มีรายละเอียดสูง เป็นชนิดแรกที่ใช้ในการทดลอง collider
เครื่องตรวจจับจะมีการปรับปรุงเวลาและความละเอียดเชิงพื้นที่ ด้วยวิธีนี้ นักวิทยาศาสตร์จะสร้างอนุภาคจำนวนมากขึ้นใหม่อย่างแม่นยำ ในการสร้างมัน พนักงานจะประกอบโมดูลหลายหมื่นโมดูลด้วยเซ็นเซอร์ซิลิคอนขนาดเล็กหรือเรืองแสงวาบ โมดูลนี้สร้างตลับเทปหลายร้อยตลับพร้อมวงจรรวมและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ข้อมูลจะถูกประมวลผลโดยตรงที่เครื่องตรวจจับและส่งไปยังระบบรวบรวมข้อมูล
ทีมงานกำลังอัปเกรดส่วนหนึ่งของเครื่องวัดความร้อนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบลำกล้อง ระบบใหม่จะมีประโยชน์ในการจัดการกระแสข้อมูลที่เพิ่มขึ้น
ระบบมูน
การเก็บรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับมิวออนเป็นกุญแจสำคัญสำหรับ CMS Muons จากการชนกันของอนุภาคสามารถเดินทางได้ไกลโดยไม่ต้องโต้ตอบ นั่นคือเหตุผลที่ชั้นของเครื่องตรวจจับอยู่นอกแคลอรีมิเตอร์
อุโมงค์ LHC ภาค 3-4 ภาพ: Maximilien Brice (CERN), CC BY-SA 3.0 ผ่าน Wikimedia Commons
ระบบ muon ใหม่จะได้รับการติดตั้งที่ทันสมัยอิเล็กทรอนิกส์ ความละเอียดของเวลาที่ดีขึ้น และความสามารถในการตรวจจับมิวออนที่เพิ่มขึ้นจากลำแสงในมุมที่กว้างขึ้น บอร์ดอิเล็กทรอนิกส์ใหม่จำนวนมากจะประมวลผลและอ่านข้อมูล วิศวกรกำลังปรับปรุงเฟิร์มแวร์และซอฟต์แวร์ที่ใช้ในการควบคุมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บนบอร์ด
การอัปเดตทั้งหมดจะขยายขีดความสามารถของ CMS อย่างมากในการตรวจจับมิวออน
ถัดไปคืออะไร
การอัพเกรดตัวตรวจจับ CMS นั้นแตกต่างกันขั้นตอน แต่ทุกอย่างมาบรรจบกันที่จุดหนึ่งในตอนท้าย หลังจากหลายปีของการสร้างต้นแบบ นักวิทยาศาสตร์จะสร้างหรือซื้อชิ้นส่วน ประดิษฐ์ส่วนประกอบของระบบในห้องปฏิบัติการต่างๆ ของสหรัฐอเมริกา ทดสอบผ่านการทดลอง แล้วส่งไปยัง CERN เพื่อทำการทดลอง นักวิทยาศาสตร์จะติดตั้งส่วนประกอบอัพเกรดระหว่างการปิดระบบ LHC ที่ยาวนานเป็นครั้งที่ 3 ซึ่งกำหนดไว้สำหรับปี 2026-2028
หลังจากเปิดตัว HL-LHC ปริมาณข้อมูลก็เพิ่มขึ้นจะช่วยนักวิจัยในการค้นหากระบวนการทางกายภาพที่หายากและศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับฮิกส์โบซอน นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า "อนุภาคพระเจ้า" เป็นกลไกที่ทำให้อนุภาคอื่นๆ ได้รับมวลของมัน อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์ยังมีอะไรอีกมากมายที่ต้องเรียนรู้เกี่ยวกับจักรวาลโดยการศึกษาโบซอนที่รู้จักด้วยความแม่นยำมากขึ้น
ท้ายที่สุดแล้ว Higgs boson ก็เป็นเช่นนั้นอนุภาคพื้นฐานที่เพิ่งค้นพบมันไม่เพียงพอ นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องมีข้อมูลเพิ่มเติมมากมายเพื่อศึกษาคุณสมบัติทั้งหมดและสร้างความก้าวหน้า
อ่านเพิ่มเติม:
ชาวไวกิ้งโบราณได้รับความทุกข์ทรมานจากโรคร้าย เกิดจากปรสิตจากแอฟริกา
พืชบนดาวอังคารผลิตออกซิเจนในอัตราเฉลี่ยของต้นไม้
นักฟิสิกส์ได้ทำให้อะตอมเย็นลงเพื่อบันทึกอุณหภูมิ พวกมันเย็นกว่าอวกาศเป็นพันล้านเท่า
ภาพปก: Vidsplay ในแบบนามธรรม