Очікується, що в ході експериментів на Великому адронному колайдері вчені зберуть петабайти даних, щоб
Пізніше цього десятиліття вчені приступлять дороботи з модернізованим прискорювачем для ВАК високої світності (High-Luminosity LHC, HL-LHC). Він зіштовхуватиме більше протонів з найвищою яскравістю. З його допомогою вчені планують спостерігати у п'ять-сім разів (як мінімум) більше зіткнень, ніж зараз. Тепер дослідники створюють технології для покращення детекторів, щоб вони справлялися з підвищеною яскравістю.
Яких чекати на оновлення?
Інженери модернізують декілька системексперименту CMS (Compact Muon Solenoid – компактний мюонний соленоїд), який допоміг відкрити бозон Хіггса у 2012 році, поряд з експериментом ATLAS. Сотні людей з університетів та лабораторій по всьому світу проектують, будують та встановлюють нові компоненти детектора. Ці технології покращать існуючий експеримент, який перебуває в експлуатації вже понад десять років.
Експерти модернізують шість ключових областей:систему стеження, тимчасовий детектор, тригер та систему збору даних, а також торцевий калориметр і бочкоподібний калориметр, і, нарешті, мюонну систему. Вчені CMS зможуть точно вимірювати та краще реконструювати взаємодію частинок у детекторі. Це приведе до нового розуміння устрою нашого Всесвіту.
Трекер
Трекер CMS відображає шлях частинки черезмагнітне поле. Він складається з двох компонентів: внутрішнього піксельного детектора та зовнішнього смугового детектора, обидва повністю замінять. Трекер - це внутрішня область, яку потрібно модернізувати, найближча до місця зіткнення протонів ВАК. Оскільки HL-LHC зіштовхуватиме протони швидше, шляхи частинок почнуть швидко накопичуватися.
Детектор CMS завершив кілька оновлень під час трирічного простою, щоб підготуватися до поточного запуску на ВАК.
Автори та права: Семюел Джозеф Херцог, ЦЕРН
Новий піксельний детектор відрізняється більшвисоким ступенем деталізації. Вченим потрібні вищі швидкості та ступінь деталізації, щоб вони фактично виявляли кожну частинку. Інакше буде так багато частинок, що вчені просто побачать пляму.
Співавтори додадуть вісім дисків у передню частинувнутрішнього трекера, розширивши охоплення детектора пікселів. Щоб швидко обробляти дані, команда збере та додасть до зовнішнього трекера тисячі невеликих модулів. Їх оснастять датчиками та чіпами інтегральних схем для конкретних додатків, які негайно розпочнуть фільтрацію та скорочення даних. Так зовнішній трекер оброблятиме інформацію з приголомшливою швидкістю - 40 млн разів на секунду.
Детектор часу
Детектор часу зменшує нагромадження шляхівчастинок, надаючи дослідникам інформацію про те, коли частка потрапила до детектора. Використовуючи безпрецедентну точність вимірювання часу прибуття частинок, фізики зможуть розрізняти окремі траєкторії та реконструювати їх у 4D-форматі.
Детектор часу має форму бочки з двоматорцевими кришками, а його герметичне ущільнення запобіжить втраті енергії та не дозволить пилу. Зараз група з модернізації проектує та створює модулі, електроніку та програмне забезпечення для тимчасового детектора.
Тригер та система збору даних
Детектор CMS. Фото: Julian Knutzen
Тригер CMS вибирає потенційно цікавіподії зіткнення та фіксує відповідні дані, відкидаючи «непотрібні», щоб зберегти керований обсяг даних. При роботі один із нових тригерів отримуватиме інформацію від модернізованого зовнішнього трекера. Він буде використовувати штучний інтелект і машинне навчання для збору великого обсягу даних, очікуваних від зіткнень на ВАК.
Модернізація системи збору даних дозволить команді збирати дані швидше, щоб не відставати від збільшеної частоти зіткнень на ВАК.
Калориметри
CMS оснащений бочкоподібними та торцевимикалориметрами – детекторами, які вимірюють енергію частинок. Торцевий – примикає до внутрішніх детекторів та аналізує потоки частинок від зіткнень. Цьогорічний калориметр повністю замінять новим високодеталізованим. Він перший у своєму роді, який використовуватиметься в експерименті на колайдері.
У детектора буде покращене тимчасове тапросторовий дозвіл. Так вчені точно реконструюють безліч вироблених частинок. Щоб збудувати його, співробітники зберуть десятки тисяч модулів з невеликими кремнієвими або сцинтиляційними датчиками. Модулі утворюють сотні касет з інтегральними схемами та електронікою. Дані будуть оброблятися безпосередньо на детекторі та передаватися до системи збору даних.
Команда також модернізує частину ствольного електромагнітного калориметра. Нова система стане в нагоді для обробки збільшеного потоку даних.
Мюонна система
Збір інформації про мюони має ключове значеннядля CMS. Мюони від зіткнень частинок здатні пересуватися досить далеко, не взаємодіючи. Саме тому шар детектора знаходиться поза калориметрами.
Тунель ВАК, сектор 3-4. Фото: Maximilien Brice, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Нову мюонну систему оснастять модернізованоюелектронікою, кращою тимчасовою роздільною здатністю та підвищеною здатністю виявляти мюони, що виходять з променя під ширшим діапазоном кутів. Декілька нових електронних плат будуть обробляти та зчитувати дані. Інженери також покращують прошивку та програмне забезпечення, що використовується для керування електронікою на платах.
Усі оновлення в рази розширять можливості CMS для виявлення мюонів.
Що далі?
Модернізація детектора CMS знаходиться на різнихстадіях, але все зійдеться в одну точку врешті-решт. Після багатьох років розробки прототипів вчені створюють або набувають потрібних деталей, виготовляють системні компоненти в різних лабораторіях США, перевіряють їх за допомогою експериментів, а потім доставляють їх для експериментів у ЦЕРН. Вчені встановлять компоненти модернізації під час третього тривалого закриття ВАК, яке заплановано на період із 2026 по 2028 рік.
Після запуску HL-LHC збільшений обсяг данихдопоможе дослідникам в пошуку рідкісних фізичних процесів і подальшому вивченні бозона Хіггса. Вчені вважають, що «божественна частка» забезпечує механізм, за допомогою якого всі інші частки отримують свою масу. Однак вченим ще багато чого належить дізнатися про Всесвіт, вивчаючи відомий бозон з більшою точністю.
Зрештою, бозон Хіггса - настількифундаментальна частка, що просто відкрити його недостатньо. Вченим необхідно мати багато додаткової інформації, щоб вивчити всі його властивості та зробити прорив.
Читати далі:
Стародавні вікінги страждали від небезпечної хвороби. Її викликає паразит із Африки
Установка на Марсі робить кисень зі швидкістю середнього дерева.
Фізики охолодили атоми до рекордної температури. Вони в мільярди разів холодніші за космос.
Фото на обкладинці: Vidsplay in Abstract