Большой адронный коллайдер в ЦЕРН вернулся к работе после запланированного на три года технического отключения. Эксперты отправили луч в мощный ускоритель частиц в конце апреля, а третий запуск начался в начале июля. Теперь его модернизируют. «Хайтек» рассказывает как.
Ожидается, что в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере ученые соберут петабайты данных, чтобы лучше понять природу в ее наименьшем масштабе. Тысячи сотрудников тестируют Стандартную модель и охотятся за новой физикой — суперсимметрией, темной материей или неоткрытыми частицами. В то же время исследователи продолжают подготовку к следующей итерации БАК.
Позже в этом десятилетии ученые приступят к работе с модернизированным ускорителем для БАК высокой светимости (High-Luminosity LHC, HL-LHC). Он будет сталкивать больше протонов с самой высокой яркостью. С его помощью ученые планируют наблюдать в пять-семь раз (как минимум) больше столкновений, чем сейчас. Теперь исследователи создают технологии для улучшения детекторов, чтобы они справлялись с повышенной яркостью.
Каких ждать обновлений?
Инженеры модернизируют несколько систем эксперимента CMS (Compact Muon Solenoid — компактный мюонный соленоид), который помог открыть бозон Хиггса в 2012 году, наряду с экспериментом ATLAS. Сотни людей из университетов и лабораторий по всему миру проектируют, строят и устанавливают новые компоненты детектора. Эти технологии улучшат существующий эксперимент, который находится в эксплуатации уже более десяти лет.
Эксперты модернизируют шесть ключевых областей: систему слежения, временной детектор, триггер и систему сбора данных, а также торцевой калориметр и бочкообразный калориметр, и, наконец, мюонную систему. Ученые CMS смогут точно измерять и лучше реконструировать взаимодействие частиц в детекторе. Это приведет к новому пониманию устройства нашей Вселенной.
Трекер
Трекер CMS отображает путь частицы через магнитное поле. Он состоит из двух компонентов: внутреннего пиксельного детектора и внешнего полосового детектора, оба — полностью заменят. Трекер — это внутренняя область, которую нужно модернизировать, ближайшая к месту столкновения протонов БАК. Поскольку HL-LHC будет сталкивать протоны быстрее, пути частиц начнут быстро накапливаться.
Авторы и права: Сэмюэл Джозеф Херцог, ЦЕРН
Новый пиксельный детектор отличается более высокой степенью детализации. Ученым нужны более высокие скорости и степень детализации, чтобы они фактически обнаруживали каждую частицу. В противном случае, будет так много частиц, что ученые просто увидят пятно.
Соавторы добавят восемь дисков в переднюю часть внутреннего трекера, расширив охват детектора пикселей. Чтобы быстро обрабатывать данные, команда соберет и добавит к внешнему трекеру тысячи небольших модулей. Их оснастят датчиками и чипами интегральных схем для конкретных приложений, которые немедленно начнут фильтрацию и сокращение данных. Так внешний трекер будет обрабатывать информацию с ошеломляющей скоростью — 40 млн раз в секунду.
Детектор времени
Детектор времени уменьшает нагромождение путей частиц, предоставляя исследователям информацию о том, когда частица попала в детектор. Используя беспрецедентной точности измерения времени прибытия частиц, физики смогут различать отдельные траектории и реконструировать их в 4D-формате.
Детектор времени имеет форму бочки с двумя торцевыми крышками, а его герметичное уплотнение предотвратит потерю энергии и не позволит пыли. Сейчас группа по модернизации проектирует и создает модули, электронику и программное обеспечения для временного детектора.
Триггер и система сбора данных
Детектор CMS. Фото: Julian Knutzen
Триггер CMS выбирает потенциально интересные события столкновения и фиксирует соответствующие данные, отбрасывая «ненужные», чтобы сохранить управляемый объем данных. При работе один из новых триггеров будет получать информацию от модернизированного внешнего трекера. Он будет использовать искусственный интеллект и машинное обучение для сбора большого объема данных, ожидаемых от столкновений на БАК.
Модернизация системы сбора данных позволит команде собирать данные быстрее, чтобы не отставать от возросшей частоты столкновений на БАК.
Калориметры
CMS оснащен бочкообразными и торцевыми калориметрами — детекторами, которые измеряют энергию частиц. Торцевой — примыкает к внутренним детекторам и анализирует потоки частиц от столкновений. Нынешний калориметр полностью заменят новым высокодетализированным. Он первый в своем роде, который будет использоваться в эксперименте на коллайдере.
У детектора будет улучшенное временное и пространственное разрешение. Так ученые точно реконструируют множество произведенных частиц. Чтобы построить его, сотрудники соберут десятки тысяч модулей с небольшими кремниевыми или сцинтилляционными датчиками. Модули образуют сотни кассет с интегральными схемами и электроникой. Данные будут обрабатываться непосредственно на детекторе и передаваться в систему сбора данных.
Команда также модернизирует часть ствольного электромагнитного калориметра. Новая система пригодится для обработки возросшего потока данных.
Мюонная система
Сбор информации о мюонах имеет ключевое значение для CMS. Мюоны от столкновений частиц способны перемещаться довольно далеко, не взаимодействуя. Именно поэтому слой детектора находится вне калориметров.
Новую мюонную систему оснастят модернизированной электроникой, лучшим временным разрешением и повышенной способностью обнаруживать мюоны, выходящие из луча под более широким диапазоном углов. Несколько новых электронных плат будут обрабатывать и считывать данные. Инженеры также улучшают прошивку и программное обеспечение, используемое для управления электроникой на платах.
Все обновления в разы расширят возможности CMS по обнаружению мюонов.
Что дальше?
Модернизация детектора CMS находится на разных стадиях, но все сойдется в одну точку в конце-концов. После многих лет разработки прототипов ученые создают или приобретают нужные детали, изготавливают системные компоненты в различных лабораториях США, проверяют их с помощью экспериментов, а затем доставляют их для экспериментов в ЦЕРН. Ученые установят компоненты модернизации во время третьего длительного закрытия БАК, которое запланировано на период с 2026 по 2028 год.
После запуска HL-LHC увеличенный объем данных поможет исследователям в поиске редких физических процессов и дальнейшем изучении бозона Хиггса. Ученые считают, что «божественная частица» обеспечивает механизм, с помощью которого все другие частицы получают свою массу. Однако ученым еще многое предстоит узнать о Вселенной, изучая известный бозон с большей точностью.
В конце-концов, бозон Хиггса — настолько фундаментальная частица, что просто открыть его недостаточно. Ученым необходимо иметь много дополнительной информации, чтобы изучить все его свойства и совершить прорыв.
Читать далее:
Древние викинги страдали от опасной болезни. Ее вызывает паразит из Африки
Установка на Марсе производит кислород со скоростью среднего дерева
Физики охладили атомы до рекордной температуры. Они в миллиарды раз холоднее космоса
Фото на обложке: Vidsplay in Abstract