• Thursday July 18,2019

Letzte Stücke des CMS-Puzzles

Anonim

Die letzten und wohl höchst technisierten Detektorelemente werden diese Woche in das gigantische CMS-Experiment am CERN eingebaut: die Pixeldetektoren. Nachdem diese Detektoren installiert sind, bleibt nur noch der Strahlzustandsmonitor, ein kleines Gerät, und dann kann das Experiment in Erwartung der ersten Protonenstrahlen im August angekündigt werden, hoffentlich im August. Fast die gesamte LHC-Maschine ist kalt - supraleitend kalt - und so scheint es, dass wir bald die ersten Daten sehen können. Es wird gemunkelt, dass bis zum 9. August (eine Woche ab Samstag!) Erste Protonen in Umlauf sein können, aber ich wette, es wird etwas länger dauern. Es wird einen mehrwöchigen Shakedown-Prozess geben, bevor die Strahlen auf hohe Energie "hochgefahren" werden. Wenn alles gut geht, soll es dieses Jahr auf 10 TeV Kollisionsenergie insgesamt ansteigen; Die Design-Energie beträgt 14 TeV und das wird nächstes Jahr geschehen. (Ein TeV ist eine Billion Elektronenvolt, eine Energie, die ungefähr tausend Protonenmassen entspricht.)

Die Pixeldetektoren sind die innersten Geräte in CMS und erfassen als erste den Durchgang hochenergetischer Teilchen, die aus Proton-Proton-Kollisionen austreten. Die zentrale Antriebsidee dieser Geräte besteht darin, winzige dreidimensionale Raumpunkte entlang der Ladungsteilchenpfade aufzuzeichnen, wodurch die Flugbahn der Ladung bis auf 10 Mikrometer (10 Millionstel Meter; ein menschliches Haar mit einem Durchmesser von 50 Mikrometern) gemessen werden kann Teilchen, und daraus schließen, wo im Raum sie entstanden sein könnten.

Dies ist eine besonders wichtige Information. Die LHC-Maschine hat viele "Protonenbündel" in jedem gegenläufigen Balken, und jedes Bündel ist über eine Länge von etwa 8 cm verteilt. Jedes Mal, wenn Bündel kollidieren (und das wird schließlich alle 25 Nanosekunden sein), werden wir viele Proton-Proton-Kollisionen erhalten. Aller Wahrscheinlichkeit nach ist nur eine davon für die spätere Analyse von Interesse. Wir müssen feststellen, welche Partikel aus dieser Kollision stammen. Die Pixeldetektoren helfen uns, diese Position im Raum zu bestimmen.

Aber vielleicht noch wichtiger ist es zu wissen, wann einige Partikel scheinbar von einem anderen Ort als dem "primären Scheitelpunkt" stammen, wo die Kollision tatsächlich stattgefunden hat. Das Vorhandensein dieser „sekundären Scheitelpunkte“ sagt uns, dass einige Teilchen eine Strecke zurückgelegt haben und dann verfallen. Im Falle eines Hochenergie-Quark (b) kann er sich mehrere Millimeter oder sogar Zentimeter bewegen und zerfällt dann in mehrere geladene Teilchen. Das Vorhandensein eines „Quark“ -Jets ist oft ein guter Indikator dafür, ob Top-Quarks (T-Quarks) vorhanden waren, die schwersten von allen, die bei diesem Ereignis produziert wurden. Es gibt eine Menge Physik, einschließlich der Suche nach neuer Physik außerhalb des Standardmodells, die auf diesen Fähigkeiten des Experiments beruht.

Wenn wir alle Support-Frames, Kühlung, Elektronik usw. von den Pixeldetektoren entfernen könnten und nur die Detektoren selbst belassen würden, hätten sie eine Anordnung wie im Diagramm rechts.

Wie Sie sehen, gibt es einen zentralen "Fass" -Abschnitt und zwei "Vorwärtslaufwerke". Die Detektoren selbst sind rechteckig und, wie der Name schon sagt, in sehr kleine Pixel von etwa einem Zehntel Millimeter Größe unterteilt. Das ist viel größer als die Pixelgröße Ihrer Digitalkamera. Dieser Detektor kann jedoch 40 Millionen Bilder pro Sekunde aufnehmen, wobei die interessanten Bilder erhalten bleiben und die große Mehrheit verworfen wird.

Das Herzstück des Pixeldetektors ist in diesem Experiment der Auslesechip, ein speziell für diesen Detektor entworfener und gefertigter Silizium-Mikrochip. Die Entwicklung des Auslese-Chips wurde von Roland Horisberger vom Paul Sherer Institut in Villigen (Schweiz) geleitet. Jeder Chip verfügt über 4000 Eingangskanäle, die in einem Raster angeordnet sind. Jeder Kanal ist mit einem Sensorkanal umgelegt. Bei den Sensoren handelt es sich ebenfalls um sehr dünne Siliziumwafer, deren eine Oberfläche in Pixel unterteilt ist. Jeder Pixelkanal kann erkennen, wenn eine bestimmte Mindestmenge an Ladung von einem vorbeiströmenden geladenen Teilchen abgelagert wurde, digitalisiert und mit einem Zeitstempel versehen wird, und er wird auf den Auslesebus gesendet, wenn ein dem Zeitstempel entsprechendes Triggersignal empfangen wird. Alle tausenden von Auslesechips im Detektor tun dies parallel und senden den Datenstrom über Glasfasern zu Datenerfassungs-Elektronikmodulen in der Service-Kaverne neben der Hauptdetektorkaverne.

Die PSI-Gruppe baute den zentralen Teil des CMS-Pixeldetektors und die mechanisch etwas komplizierteren Vorwärtsscheiben wurden von einem Konsortium aus US-amerikanischen Universitäten und Fermilab gebaut. Die Vorwärtsscheibendetektoren wurden bei Fermilab zusammengebaut und dann zur Endmontage, zum Testen und nun zur Installation zum CERN transportiert.

Meine eigene Beteiligung an dem Projekt war unterschiedlich, aber zuletzt konzentrierte ich mich darauf, die Detektoren letztes Jahr zum CERN zu bringen, und dann mit Ingenieuren von Fermilab und UC Davis zusammenzuarbeiten, um die Vorrichtungen und Verfahren für die Installation des Vorwärtsdetektors zu entwickeln und zu bauen.

Ein Postdoc in der Davis-Gruppe, Ricardo Vasquez Sierra, und ich trugen die zusammengebauten Half-Disks an Bord eines Verkehrsflugzeugs im letzten Jahr in vier separaten Reisen von Chicago nach Zürich nach Genf. Diese äußerst empfindlichen Geräte wurden in speziellen Acrylgehäusen untergebracht, um die Sicherheitsüberprüfung zu erleichtern. (Wir hatten spezielle Vereinbarungen mit der TSA in Chicago getroffen.

Zürich war schwieriger.) Die Acrylgehäuse wurden wiederum in mit Schaumstoff ausgekleideten Hartschalengehäusen getragen. Unnötig zu erwähnen, dass wir jedes Stück im Wert von etwa 500.000 USD sehr sorgfältig getragen haben. Die Leute hielten uns für verrückt - es gibt eine gewisse Geschichte in unserem Bereich der Detektoren, die beim Versand beschädigt ankommen -, aber wir haben es dort ohne Probleme geschafft. Ich glaube, meine größte Angst war, dass ein Idiot durch das Terminal riss und einen unserer Detektoren mit einem Gepäckwagen traf.

In der Zwischenzeit mussten wir ein System entwickeln, um mit den Vorwärtsdetektoren eine Art Flaschenschiff-Kunststück durchzuführen. Die Detektoren befinden sich tief im CMS-Tracker, dessen zentrale Bohrung etwa sieben Meter lang ist. Die Detektorhalbscheiben sind auf zwei Meter langen Kohlefaser-Wartungszylindern montiert, die auch die Kabel und Röhren tragen, die dem Detektor Energie und Kühlung zuführen, sowie einige Elektronikkomponenten. Die beiden Wartungszylinder sitzen vertikal und gleiten in ihre endgültige Position entlang der Rillen in Kohlefaserbetten oben und unten in der Bohrung. Um keine nicht instrumentierten Bereiche in der vertikalen Ebene zu haben, sind die Rillen am Ende der Bewegung gekrümmt, so dass die Halbscheiben ineinandergreifen. Somit müssen die beiden Halbzylinder gleichzeitig millimetergenau eingeschoben werden. Später müssen die Detektoren entfernt werden, woraufhin sie durch die Einwirkung der intensiven Strahlungsumgebung im Zentrum des CMS-Detektors radioaktiv geworden sind. Daher musste das System einfach, leicht und schnell zu bedienen sein, um die Strahlenbelastung für das Personal zu minimieren.

Hier ist ein bemerkenswertes Foto von einem der halben Halbzylinder in Vorwärtsrichtung. Beachten Sie die konvergierenden Spuren, in denen die halben Zylinderfüße fahren, und die vertikale Strahlrohrstütze, die der Detektor auf dem Weg in Position freimachen muss.

Ich war schon immer mechanisch interessiert und habe Probleme wie diese. Es war nicht der sexy Teil des Pixelprojekts, aber ein wesentlicher Teil, um das Ganze zum Laufen zu bringen. Wir haben den Einsatz vor einem Jahr getestet, als sich der Tracker noch in einem Oberflächengebäude am CERN befand. Aus den Lehren, die wir aus diesem Test gelernt haben, haben wir das endgültige System für die Installation gebaut und im Mai getestet, bevor die Installation der Strahlrohre abgeschlossen war.

Vor wenigen Stunden wurde der CMS-Pixeldetektor erfolgreich installiert. Ich konnte aufgrund der kürzlichen Geburt meines Sohnes Ian nicht dort sein. (Deine Prioritäten müssen klar sein.

) Meine fähigen Kollegen füllten sich nahtlos aus. In Kürze werden jedoch die LHC- und die ATLAS- und CMS-Experimente in Betrieb genommen, und dieses große menschliche Abenteuer in den inneren Raum wird beginnen.


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