Forskaren placerar noggrant sensorerna i sondstationen och testar dem genom att applicera en hög spänning med en nål. Teamet måste bära skyddsutrustning för att hålla sensorn säker från damm och repor. Upphovsman:Ulysse Fichet/CERN
I en special, damm fri, rent laboratorium, gränsar över den schweizisk-franska gränsen, en grupp fysiker lägger ner sin tid på att undersöka handstora sexkantar av kisel. Dessa sexkantar är en bråkdel av en millimeter tjocka och består av över hundra mindre sexhörningar, enskilda sensorer var och en ungefär en centimeter över. Tillsammans med lager av metall, sensorerna kommer att bilda en ny subdetektor för att ersätta en del av slutlockets kalorimetrar i CERNs CMS-experiment.
En kalorimeter mäter energin som en partikel förlorar när den passerar igenom. Det är vanligtvis utformat för att helt stoppa eller "absorbera" de flesta partiklar som kommer från en kollision. De nya kalorimetersensorerna kommer att användas för att mäta energi och ankomsttid och för att spåra vägen för enskilda partiklar som flyger ut i form av skräp från kollisionspunkten i mitten av experimentet. Väl på plats, detta kommer att vara första gången som denna typ av kiselsensor någonsin har använts i kalorimetern på en partikeldetektor i så stor skala.
Sensorerna är en del av ett bredare uppgraderingsprojekt för att säkerställa att experimenten klarar ett större antal partikelkollisioner som ett resultat av High-Luminosity LHC (HL-LHC) -uppgraderingen 2025, och den ökade potentialen för upptäckt som följer med. Den nuvarande tekniken bygger på långa, klara blytungstatskristaller utformade för att klara strålningen i detektorerna Även om de fungerar bra under LHC-eran, fram till 2025, mängden strålning som förväntas under HL-LHC kommer att mörkna kristallerna tills de blir blinda för partiklar som passerar genom dem.
Eva Sicking arbetar på sondstationen. Hon förklarar:”För närvarande använder vi individuella sondnålar för att kontakta cellen vi vill testa och alla dess direkta grannar, men vi utvecklar också ett sondkort med många stift under det så att vi kan sänka kortet och ansluta alla stiften och testa alla sensorceller på en gång, så vi behöver inte placera var och en av de åtta nålarna individuellt. ”. Upphovsman:Ulysse Fichet/CERN
"De blytungstatskristaller vi använder nu är utformade för att fungera vid jämförelsevis låga kollisionshastigheter och i en miljö med låg strålning. Med HL-LHC, vi kommer att ha hundratals kollisioner på en gång, så vi behövde något som kunde motstå den ökade strålningen och lösa duschar från partiklar mycket nära varandra i rum och tid, "förklarar Eva Sicking, den tillämpade fysikern som leder detta kiselsensorprojekt. "Vi vill kunna skilja de olika partiklarna som vi ser, och vet också vilka som kom från vilka kollisioner. "
"Dessa sensorer ger inte bara ett system som är mer strålningshårt; samtidigt ger de också mer information om var exakt partiklarna passerade. De ger oss också mycket bra timinginformation, så vi kan bestämma exakt när denna partikel kom, och tack vare de små cellerna kan den göra det för många kollisioner samtidigt, "fortsätter Andreas Maier, som också arbetar med projektet.
Smörgåsar av metall
Sensorerna utgör kärnan i den nya subdetektorn, som kommer att ersätta det nuvarande slutskyddet vid CMS, avbildad. Upphovsman:David Barney/CERN
För att säkerställa att sensorerna kan göra detta, istället för långa kristaller, laget rör sig bort från långa kristaller och bygger istället smörgåsar - sensorns lager alternerande med lager av en tungmetall, såsom bly.
För att testa varje sensor i smörgåsen, laget använder en speciell sondstation, med åtta nålar som sitter ovanför en vakuumplatta. Tallriken rymmer det känsliga, och dyrt, kiselsensorer ordentligt på plats så att nålarna kan manövreras och sänkas för att ansluta till kontaktdynor markerade på varje sensor. De applicerar sedan en hög spänning på sensorn för att registrera data som kommer att användas för att bedöma sensorns kvalitet.
Ett team av CMS -forskare har redan testat den första smörgås -kalorimeterprototypen med enstaka partiklar, men i den uppgraderade HL-LHC kommer flera partikelkollisioner att inträffa samtidigt och hundratals skräppartiklar kommer att passera genom sensorerna samtidigt. Prototypen är baserad på kisel och täta metaller - bilden visar de alternerande metallskikten och kiselsensorn. Partikelstrålen löper från vänster om bilden till höger. Upphovsman:David Barney/CERN
Känsliga instrument berättar för teamet vad den elektriska strömmen som genereras i sensorn är, samt ett mått som kallas kapacitans. Om någon av dessa körs över en viss nivå, sensorn kan inte användas, eftersom det kommer att skapa brus som stör data från alla partikelspår. Om ljudet är för högt, forskarna kan bedöma om det finns ett problem på produktionsnivå. Om ett problem hittas, de går tillbaka till tillverkarna för att se till att det stryks innan de riktiga sensorerna går i produktion. Alla sensorer som så småningom används kommer att gå igenom denna process, antingen på CERN eller vid andra institut.
Optimera kraften
Att mäta ström är särskilt viktigt eftersom det kan påverka hur mycket kraft och energi som krävs när maskinen är igång.
"I en idealvärld, sensorn skulle inte visa någon läckström, men i verkligheten, föroreningar införs under tillverkningen av dessa sensorer. Därför, strömmen vi mäter är en indikator på produktionskvaliteten, "Florian Pitters, en annan medlem i gruppen, förklarar.
Programvaran visar strömmen som går genom varje sensor, och brickan gjord av flera mindre sensorer visas längst ner till höger. Upphovsman:Andreas Maier/CERN
Läckström är acceptabel under en viss nivå, men det förstärks när du lägger till fler sensorer och strömförsörjningen och kylsystemet måste hantera en större mängd ström och avledande värme.
Om det finns några problem i de sista sensorerna, det kan leda till att hela brickan blir kort, gör det värdelöst. Så dessa tester är avgörande för att säkerställa att hela detektorsystemet fungerar som bäst och att dessa komponenter inte skapar hinder för framtida upptäckt.
"Det har förekommit misstag med saker som folk bara inte kunde ha vetat, tills vi testade dem. Vi har upptäckt några gånger att de vägar vi tänkte gå bara måste överges, så vi valde en ny väg. Så går forskningen, säger Andreas.
