De enorma detektorerna som ger ett fönster till världens minsta partiklar är inställda på en uppgradering på 153 miljoner dollar, och ett team av Purdue University-forskare kommer att spela en nyckelroll – att fortsätta universitetets decennier långa arv med de historiska experimenten vid European Organization for Nuclear Research, eller CERN.

Under de kommande fem åren, det internationella samarbetet kommer att tiodubbla känsligheten hos Compact Muon-solenoiden, eller CMS, detektor, och förbereda den för att uthärda strålningsnivåer som motsvarar kärnan i en kärnreaktor när CERN ökar intensiteten på protonstrålarna i Large Hadron Collider (LHC) – den största och mest kraftfulla partikelacceleratorn i världen.

"Nivåerna av strålning som detektorerna kommer att möta i nästa fas av experiment utgör en verklig utmaning. Vi måste hitta material som kommer att överleva denna exponering i 10 år utan att förvandlas till damm, "sa Matthew Jones, Purdue-professorn i fysik och astronomi som är en huvudutredare i det National Science Foundation-finansierade projektet som leds av Cornell University. "Vi är verkligen på blödningskanten, och de tekniska framstegen från detta projekt kommer att informera fält som spänner över rymdutforskning, datavetenskap och optik. Men vårt mål är att förstå naturen hos de fundamentala partiklar som vår värld är uppbyggd av."

Från att krossa partiklar med nära ljusets hastighet till upptäckten av Higgspartikeln och firandet av Nobelpriset som följde, Purdue-forskare har ihärdigt bedrivit vetenskapen tillsammans med sina internationella kollegor vid CERN.

Forskare är hoppfulla att nästa fas av det historiska partikelfysikexperimentet öppnar dörren till en djupare förståelse av grundläggande fysiska mysterier, som mörk materia och universums ursprung.

"Vi försöker hitta ny fysik och testa de teoretiska modellerna, "sa Andreas Jung, Purdue professor i fysik och astronomi och medföreståndare för projektet. "När LHC ökar intensiteten hos protonstrålarna 2027, det kommer att skapa en storleksordning fler registrerade kollisioner – kanske till och med skapa nya partiklar som aldrig tidigare setts. På samma gång, de uppgraderade detektorerna kommer att tillåta oss att fånga fler av dessa händelser och med mycket bättre upplösning än någonsin tidigare."

CMS-detektorn är, i huvudsak, en 14, 000 ton extremt högupplöst kamera i storleken av en fyra våningar hög kontorsbyggnad som nästan helt omger en kollisionspunkt för LHC-strålarna. För närvarande, hjärtat i CMS-detektorn är utrustad med en högupplöst kamera på 80 miljoner individuella kiselpixlar. Var 25:e nanosekund passerar skräp från kollisioner av protoner i strålarna genom pixlarna, och inuti det finns spår av elementarpartiklarnas liv som skapats bara för ett ögonblick när protonerna krossas i sina beståndsdelar.

CMS-uppgraderingen kommer att krympa storleken på varje kiselpixel och samtidigt utöka detektorns täckning, med totalt 2 miljarder kiselpixlar som ska placeras i mitten av den uppgraderade detektorn. Precis som kamerorna på våra telefoner, en sensor med fler pixlar ger skarpare bilder, och forskarna kommer att kunna se skapelsen, bidrag och indirekta effekter av dessa fundamentala partiklar i större detalj än någonsin tidigare.

Purdue är det ledande monteringscentret för de nya kiselpixelmodulerna i den inre kiseldetektorn i CMS och kommer att övervaka och koordinera modulmonteringen vid andra institutioner.

I en renrumsanläggning i Purdue Physics Building, robotutrustning har programmerats och testats för att sätta ihop sensorerna och kretskorten som bildar pixelmodulerna. Den precision som krävs är placering inom 10 mikron, eller ungefär en femtedel av diametern på ett människohår, och högdensitets elektriska anslutningar med 10 ledningar per millimeter.

"Detta är den tredje generationen av CMS-detektorn, och vi har varit involverade i tillverkningen av kiselpixelmodulerna sedan starten, ", sa Jones. "Förutom precisionsrobotik, vi drar nytta av alla framsteg inom integrerad krets och datorteknik under de senaste 10 åren. Till exempel, varje sensor kommer att ha mycket mer minne, så en bild kan lagras i sensorn tills vi är redo att läsa ut den."

Purdue kommer också att designa och tillverka de stora kolfiberstrukturerna som stöder hela spårningspixeldetektorn. Inte bara kommer de att möta extrema nivåer av strålning, den specialdesignade utrustningen måste också vara extremt lätt, stark och värmeledande. Strukturerna måste kunna bära 50 gånger sin vikt för att uppfylla specifikationerna.

"Kolfiberstrukturerna vi designar måste vara lätta, stark och leder snabbt all värme som genereras bort från detektorn, " sa Abraham Mathew Koshy, en doktorand i Jungs forskargrupp. "Vi måste anpassa olika teknologier till våra behov och utveckla nya mättekniker. Det vi gör kommer inte bara att gynna partikelfysiken, det kan användas i flyg- eller rymdfarkoststeknik eller till och med för att förbättra föremål vi använder varje dag.

"För mig, det bästa med att arbeta med fysik är att det är en blandning av allt. Det ger en förståelse för världen och ett sätt att förklara den vetenskapligt."

LHC vid CERN ger en avgörande förmåga att svara på viktiga frågor om materiens elementära beståndsdelar och de grundläggande krafter som styr deras beteende på den mest grundläggande nivån. Från och med mars 2010 när de första proton-proton-kollisioner ägde rum, acceleratorns energi ökades stadigt för att förstora massa räckvidd i sökandet efter nya partiklar. Man tror att det oöverträffade energiomfånget och känsligheten hos LHC kombinerat med de speciella egenskaperna hos CMS-experimentet kommer att leda till ett genombrott i vår förståelse av naturen, sa Jung.

Norbert Neumeister, Purdue fysik och astronomiprofessor, är gruppledare för CMS-experimentet vid Purdue och huvudutredare för Department of Energy-finansierad CMS-forskning fokuserad på analys av de enorma mängderna data.

"LHC producerar ungefär 15 petabyte data årligen, eller motsvarande cirka 3 miljoner DVD -skivor per år, som tusentals forskare runt om i världen har tillgång till och analyserar, Neumeister sa. "Denna massiva datamängd har gjort det möjligt för CMS-samarbetet att utforska ett brett spektrum av partikelfysikfenomen."

LHC kommer att starta om sin verksamhet och samla in data 2021, samtidigt arbetar teamet med detektoruppgraderingarna för nästa fas av experimentet.