En färdig framåt pixel disk är installerad i sin service cylinder, där den så småningom kommer att anslutas till elektronik och kylning. Var och en av de 672 kiselsensorerna är ansluten till elektronikkort via tunna flexibla kablar (sett hängande under skivan). Kartan (på tabellen) är viktig för att dra alla kablar och göra rätt anslutningar inuti servicecylindern. Från vänster:Stephanie Timpone, Greg Derylo, Otto Alvarez, hela Fermilab. Upphovsman:Maximilien Brice, CERN
Ibland kräver stora frågor stora verktyg. Det är därför som en global gemenskap av forskare konstruerade och byggde gigantiska detektorer för att övervaka partikelkollisioner med hög energi som genereras av CERNs Large Hadron Collider i Genève, Schweiz. Från dessa kollisioner, forskare kan spåra Big Bangs fotspår och leta efter nya naturegenskaper.
CMS -experimentet är en sådan detektor. Under 2012, den upptäckte den svårfångade Higgs-bosonen med sitt systerexperiment, ATLAS. Nu, CMS -forskare vill driva bortom de kända fysikaliska lagarna och söka efter nya fenomen som kan hjälpa till att svara på grundläggande frågor om vårt universum. Men för att göra detta, CMS -detektorn behövde en uppgradering.
"Precis som alla andra elektroniska enheter, över tid slits delar av vår detektor, "sa Steve Nahn, en forskare vid U.S. Department of Energy's Fermilab och den amerikanska projektledaren för CMS -detektoruppgraderingar. "Vi har planerat och utformat den här uppgraderingen sedan strax efter att vårt experiment började samla in data 2010."
CMS -detektorn är byggd som en gigantisk lök. Den innehåller lager av instrument som spårar banan, energi och momentum av partiklar som produceras i LHC:s kollisioner. De allra flesta sensorerna i den massiva detektorn är packade in i mitten, inom det som kallas pixeldetektorn. CMS -pixeldetektorn använder sensorer som inuti digitalkameror men med en blixtsnabb slutartid:I tre dimensioner, de tar 40 miljoner bilder varje sekund.
Under de senaste åren har forskare och ingenjörer vid Fermilab och 21 amerikanska universitet har monterat och testat en ny pixeldetektor för att ersätta den nuvarande som en del av CMS -uppgraderingen, med finansiering från Department of Energy Office of Science and National Science Foundation.
Detta visar den yttersta sektionen av den främre pixeldetektorn. Varje grön kil är en pixelmodul. ”Pixelmoduler är komplexa elektroniska smörgåsar, ”Sa Marco Verzocchi. Kiselsensorn är i mitten, avläsningschipsen finns på botten, och den gröna tryckta kretsen är på toppen. 66, 650 pixlar och 16 avläsningschips per modul är alla sammankopplade genom känslig kabeldragning och elektronik. De flexibla kopparkablarna som kommer från pixelmodulerna tar med sig data som samlats in av kiselsensorerna till avläsningselektroniken (som är dolda bakom de gula locken.) Det silverfärgade föremålet i mitten av fotografiet är strålröret med dess stödtråd nedanför. Upphovsman:Satoshi Hasegawa, Fermilab
Pixeldetektorn består av tre sektioner:den innersta fatdelen och två ändlock som kallas framåt pixeldetektorer. Den uppdelade och kanliknande strukturen ger forskare en nästan fullständig täckningssfär kring kollisionspunkten. Eftersom de tre pixeldetektorerna passar på strålröret som tre skrymmande armband, ingenjörer konstruerade varje komponent som två halvmånar, som hakar ihop för att bilda en ring runt strålröret under införingsprocessen.
Över tid, forskare har ökat hastigheten på partikelkollisioner vid LHC. Bara 2016, LHC producerade ungefär lika många kollisioner som den hade under de tre åren av sin första körning. För att kunna skilja mellan dussintals samtidiga kollisioner, CMS behövde en helt ny pixeldetektor.
Uppgraderingen packar ännu fler sensorer i hjärtat av CMS -detektorn. Det är som om CMS tog examen från en 66-megapixelkamera till en 124-megapixelkamera.
Var och en av de två framåtriktade pixeldetektorerna är en mosaik av 672 kiselsensorer, robust elektronik och buntar med kablar och optiska fibrer som matar in el och instruktioner och tar ut rådata, enligt Marco Verzocchi, en Fermilab -forskare på CMS -experimentet.
Flerdelen, 6,5 meter lång pixeldetektor är lika känslig som rå spaghetti. Att installera de nya komponenterna i ett gap på storleken på ett brunnshål krävde mer än bara finess. Det krävde månader av planering och extrem samordning.
CMS -detektorn är för närvarande öppen så att forskare kan installera pixeldetektorn i mitten av experimentet (runt strålröret). En kran sänkte de sex bitarna av pixeldetektorn genom en 100 meter djup grop till CMS-grottan. En andra kran placerade den sedan på den gula plattformen som sattes upp speciellt för denna installation. Upphovsman:Maximilien Brice, CERN
"Vi övade denna installation på mock-ups av vår detektor många gånger, "sa Greg Derylo, ingenjör på Fermilab. "När vi kom till själva installationen, vi visste exakt hur vi behövde skjuta in den här nya komponenten i hjärtat av CMS. "
Den svåraste delen var att manövrera de känsliga komponenterna kring de redan existerande strukturerna i CMS-experimentet.
"Totalt, den fullständiga tredelade pixeldetektorn består av sex separata segment, som passar ihop som ett tredimensionellt cylindriskt pussel runt strålröret, "sa Stephanie Timpone, en Fermilab -ingenjör. "Att sätta in bitarna i rätt positioner och rätt ordning utan att röra vid någon av de befintliga stöden och skydden var en välkoreograferad dans."
För ingenjörer som Timpone och Derylo, att installera pixeldetektorn var det sista steget i en sexårig process. Men för forskarna som arbetar med CMS -experimentet, det var bara början.
"Nu måste vi få det att fungera, "sa Stefanos Leontsinis, en postdoktor vid University of Colorado, Flyttblock. "Vi kommer att tillbringa de närmaste veckorna med att testa komponenterna och förbereda LHC -omstarten."
