För LHCb-detektorn vid Large Hadron Collider, den pågående andra långa avstängningen (LS2) av CERNs acceleratorkomplex kommer att vara en period av metamorfos. Efter två framgångsrika datainsamlingskörningar, detektorn uppgraderas för att förbättra precisionen i dess fysikmätningar, varav många är de bästa i världen. Det kommer därför att bli fem gånger fler kollisioner varje gång protongrupper korsar i detektorn efter LS2 och LHCb-samarbetet planerar att öka dataavläsningshastigheten från 1 megaHertz till LHC:s maximala interaktionsfrekvens på 40 megaHertz (eller var 25:e nanosekund).

Förutom att ersätta nästan all elektronik och datainsamlingssystem för att hantera den enorma ökningen av dataproduktion, LHCb byter ut sina spårningsdetektorer med nya, t.ex. spåraren med glittrande fibrer, eller SciFi. Det är första gången en så stor spårare, med liten granularitet och hög rumslig upplösning, har gjorts med denna teknik. SciFi kommer att placeras bakom dipolmagneten på LHCb.

scintillerande fibrer, som namnet antyder, är optiska fibrer - med en polystyrenbas, i det här fallet — som avger tiotals fotoner i den blågröna våglängden när en partikel interagerar med dem. Sekundära scintillatorfärgämnen har tillsatts till polystyrenen för att förstärka ljuset och flytta det till längre våglängder så att det kan nå skräddarsydda kiselfotomultiplikatorer (SiPM) som omvandlar optiskt ljus till elektriska signaler. Tekniken har testats väl vid andra högenergifysikexperiment. Fibrerna i sig är lätta, de kan producera och sända ljus inom fönstret på 25 nanosekunder och de är lämpligt toleranta mot den joniserande strålning som förväntas i framtiden.

Varje scintillerande fiber som utgör deldetektorn är 0,25 mm i diameter och nästan 2,5 m lång. Fibrerna kommer att packas i moduler som kommer att finnas på tre stationer inom LHCb, var och en består av fyra så kallade "detektionsplan", med fotomultiplikatorerna placerade i toppen och botten av varje plan. "Fibrerna har noggrant undersökts, lindade till flerskiktsband, monteras till detektormoduler och noggrant testade, " förklarar Blake Leverington, som koordinerar en del av SciFi-projektet för LHCb. "Fibrerna ger en engångsprecision bättre än 100 mikron och enkelträffseffektiviteten över detektorns yta är bättre än 99 procent." Totalt, över 10 000 km av precisionstillverkade glittrande fibrer kommer att pryda LHCb.

Till skillnad från de andra LHC-detektorerna, LHCb är asymmetrisk i design och studerar partiklar som flyger mycket nära strålröret efter att ha producerats i proton-protonkollisioner. Dock, att använda en känslig detektor så nära strålröret ger sina egna problem. Simuleringar visar att strålningsskador från kollisionsskräp skulle göra fibrerna närmast strålröret mörkare med upp till 40 procent under LHCb:s livslängd. Detta skulle göra det svårare för det producerade ljuset att överföras genom fibrerna, men detektorn förväntas förbli effektiv trots detta.

Fotomultiplikatorerna som finns på toppen och botten av varje SciFi-detektionsplan kommer att bombarderas av neutroner som produceras i kalorimetrarna som sitter längre nedströms. Strålningsskadorna resulterar i så kallat "mörkt brus", där termiskt exciterade elektroner får SiPM:erna att producera en signal som efterliknar signalen som kommer från enskilda fotoner. Förutom skärmning placerad mellan SciFi och kalorimetrarna, ett komplext kylsystem har utvecklats för att kyla SiPM. "Mätningar har visat att hastigheten på mörkt brus kan minskas med en faktor två för varje temperaturfall på 10 grader Celsius, " påpekar Leverington. SiPM:erna har monterats på speciella 3-D-tryckta titan-köldstänger som är kylda till -40 grader Celsius.

"Projektet har bidrag från mer än hundra forskare, studenter, ingenjörer och tekniker från 17 partnerinstitut i 10 länder, "säger Leverington." Vi har arbetat tillsammans i sju år för att väcka SciFi till liv. "För närvarande, SciFi-modulerna, tjänster och elektronik monteras och installeras i de 12 mekaniska ramarna i monteringshallen på LHCb-platsen vid punkt 8 i LHC-ringen. De första SciFi-komponenterna planeras att installeras under våren nästa år.