Du kan ha observerat flygpassagerare åtföljda av husdjur eller till och med musikinstrument på flyg. Men har du någonsin suttit bredvid en partikeldetektor?

I mer än ett år, ett litet team vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har arbetat med att montera, testa, och transportdetektordelar för en uppgradering av ALICE (A Large Ion Collider Experiment) detektorsystem vid CERN-laboratoriet i Europa.

Detektorpaneler åker som "passagerare"

Berkeley Lab-teamets lösning för att säkerställa att var och en av dessa noggrant monteras, ömtåliga bitar kommer från punkt A till punkt B intakta:behandla dem som resesällskap.

ALICE, ett kärnfysikexperiment, är designad för att kollidera högenergiska blyjoner med varandra och med protoner för att utforska ett exotiskt tillstånd av superhet materia, känt som kvarg-gluonplasma, som tros ha funnits i det tidiga universum.

Berkeley Lab är en av fem platser runt om i världen som bygger detektorpaneler (kallade "stavar") för uppgraderingsprojektet, som kommer att förbättra prestandan hos ALICE-detektorns inre spårningssystem – inklusive dess upplösning för att ta ögonblicksbilder av partikelkollisioner, dess hållbarhet, och datainsamlingshastighet.

Kärnfysikforskare vid Berkeley Lab turas om att transportera fyra långa detektorstavar åt gången i en specialbyggd klar container utrustad med en axelrem. När den är laddad, den meterlånga behållaren väger cirka 25 pund. Stavarna är staplade med sekvenser av kiselchips och relaterade kretsar och kraftkomponenter.

Varje stav Berkeley Lab-teamet ansvarar för har åtta sensormoduler, och varje modul är utrustad med 14 sensorer, för totalt 112 sensorer per stav.

Denna plats är intagen

"Det slutade med att vi köpte platser på kommersiella flygningar för dem eftersom det inte finns något annat pålitligt sätt att få dem dit, sa Leo Greiner, en stabsforskare vid Berkeley Labs kärnvetenskapsavdelning som leder teamet som arbetar med ALICE-detektorns uppgraderingskomponenter.

Teamet hade använt mekaniska modeller av detektormodulerna för att se hur de skulle hålla sig i ett flygplans lastrum, och de klarade sig inte bra:enheterna var synligt skadade, med vissa delar som går av.

"Det var ganska tydligt att transporten inte kunde ske på det sätt vi ursprungligen hade tänkt oss, " sa Greiner. Så han undersökte det bästa sättet att få stavarna in i kabinen - en mer skyddad miljö. Reglerna för att köpa en plats för stavarna liknar dem för dyra musikinstrument som musiker vill bära med sig på planet , han sa.

Den klara, Berkeley Lab-byggd bärväska är designad för att underlätta säkerhetsinspektioner på flygplatser, och röntgenundersökningar på flygplatser är inte ett problem eftersom detektorkomponenterna är utformade för att motstå mycket mer intensiv strålning.

Väl ombord på planet, forskare begär en förlängning av säkerhetsbältet för att säkert spänna fast bärväskan i det angränsande sätet. Deras vanliga väg är att flyga till Newark eller Washington, D.C., från San Francisco Bay Area, och sedan ansluta till ett internationellt flyg till Genève, Schweiz. Rundresan innebär vanligtvis två hela dagars resa och två dagar på CERN för att kontrollera eventuella skador på komponenterna.

Medlemmar av Berkeley Lab-teamet har genomfört cirka 14 av dessa resor under det senaste året, med den sista resan planerad till mitten av oktober.

Vetenskapsuppsökande gjort enkelt

Den ovanliga handbagagen är en ganska bra konversationsstartare, sa Greiner.

"Det är den mest fantastiska uppsökande jag någonsin gjort, " sa han. "Alla har frågor."

Nikki Apadula, en projektforskare vid Nuclear Science Division och en medlem av ALICE-teamet som har deltagit i detektorutflykterna, sa, "Jag tillbringade en hel resa till Newark med att använda baksidan av sätet för att förklara vad partiklar gör i detektorn."

Apadula sa att de höga resebehållarna kan vara besvärliga ibland. "Det faktum att de här sakerna är en meter långa - det är bara besvärligt. Det är nästan lika högt som jag."

Andra medlemmar av Berkeley Labs ALICE-detektoruppgraderingsteam, inklusive forskningsassistenterna Erica Zhang och Winston DeGraw, som båda började arbeta med projektet som studenter, har varit de mest frekventa på detektorresorna.

Montering av stavarna

Berkeley Lab-teamet bidrar med 60 detektorstavar för mellanskikten av ALICEs uppgraderade ytterrörsdetektor – det största bidraget från ett amerikanskt labb.

Den färdiga detektorn kommer att ha sju koncentriska lager som rymmer totalt 24, 000 kiselsensorer för att detektera partikelinteraktioner. Den är planerad att installeras i mars 2020, och kommer att vara i drift i början av 2021.

Detektormontering vid Berkeley Lab utfördes i en speciellt konstruerad renrumsmiljö med plastväggar. Forskare mätte noggrant och limmade åtta detektormoduler på varje stav, med noggrannhet som vanligtvis mäts i tiotals mikron, eller tiotals miljondelar av en meter.

Stavarna har rör som låter kallt vatten cirkulera längs deras längd och förhindrar överhettning, och allt material – ner till limmet som fäster detektormodulerna – måste testas för att säkerställa att de tål detektormiljön.

Varje stav har ett kilformat kolfiberstöd längs dess längd, och elektriska aluminiumkomponenter snarare än koppar för att ge bättre spårningsupplösning för att fånga partikelinteraktionerna samtidigt som de motstår störtfloden av strålning som produceras vid partikelkollisioner. I de tidiga stadierna av projektet använde Berkeley Lab-teamet kraftfulla laddade partikelstrålar vid Berkeley Labs 88-tums cyklotron för att testa detektormaterialens hållbarhet, Greiner noterade.

Nästa generations detektordesign

Detektorerna i uppgraderingen är baserade på en monolitisk pixeldetektorteknologi – en tidigare generation av denna typ av detektor användes för STAR (Solenoidal Tracker at RHIC) detektorn vid Brookhaven National Laboratorys Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Berkeley Lab har särskild expertis inom denna typ av detektorer, Greiner noterade, och bidrog till tidig FoU.

ALICE uppgraderingsdetektorer är designade för en längre livslängd, kan behandla signaler cirka 10 gånger snabbare än tidigare detektorer, och har en individuell pixelstorlek på cirka 30 mikron. Den förbättrade upplösningen kommer att göra det möjligt för forskare att bättre skilja partiklar som produceras i de initiala kollisioner med blykärnor från de som förgrenar sig från partikelsönderfallet som följer efter dessa initiala interaktioner.

"Tekniken har verkligen mognat, " sa Greiner. "De kan ta data snabbare, dö inte lika snabbt, och avleda mindre kraft."

Andra monteringsplatser för de nya detektorerna är i Kina, England, Frankrike, Italien, Nederländerna, och Korea. ALICE-samarbetet är cirka 1, 500 forskare från över 100 fysikinstitut i 30 länder. Berkeley Labs deltagande i ALICE stöds av U.S.DOE Office of Science Office of Nuclear Physics.