Large Hadron Collider vid CERN är tillbaka i drift efter en treårig planerad teknisk avstängningsperiod. Experter cirkulerade strålen i den kraftfulla partikelacceleratorn i slutet av april, och Run 3-fysiken startade i början av juli med den högsta kollisionsenergi som någonsin uppnåtts.

LHC-experimenten förväntar sig att samla in petabyte med data för att bättre förstå naturen i minsta skala. Tusentals medarbetare testar standardmodellen för partikelfysik och jagar efter ny fysik – saker som supersymmetri, mörk materia eller oupptäckta partiklar.

Samtidigt fortsätter forskarna att förbereda sig för nästa iteration av LHC.

Senare detta decennium kommer forskare att börja arbeta med en uppgraderad accelerator för High-Luminosity LHC, som kommer att kollidera med fler protoner med mer ljusstyrka än någonsin tidigare. Med den förväntar sig forskarna att se minst fem till sju gånger så många kollisioner som de gör nu. Forskare bygger teknik för att förbättra sina detektorer så att de kan hantera den ökade ljusstyrkan. Detektorerna körs fram till slutet av 2030 och kommer att samla en faktor på 20 ytterligare data.

CMS-experimentet, som medupptäckte Higgs-bosonen 2012, tillsammans med ATLAS-experimentet, uppgraderar flera system. Hundratals människor från universitet och labb runt om i världen, inklusive amerikanska institutioner finansierade av U.S.A. Department of Energy och National Science Foundation, designar, bygger och installerar de nya detektorkomponenterna. Dessa tekniker syftar till att förbättra det befintliga experimentet, som idag har varit i drift i mer än ett decennium.

Experter gör uppgraderingar inom sex nyckelområden:spårningssystemet, timingdetektorn, trigger- och datainsamlingssystem, ändkapselkalorimeter, fatkalorimeter och myonsystem. Dessa uppgraderingar innebär att CMS-forskare kan exakt mäta och bättre rekonstruera hur partiklar interagerar i detektorn. Att studera deras beteende kan leda till nya insikter och potentiella upptäckter om hur vårt universum fungerar.

Spåraren

CMS-spåraren kartlägger en partikels väg genom ett magnetfält. Den har två komponenter:en inre pixeldetektor och en yttre remsdetektor, som båda kommer att bytas ut helt. Trackern är det innersta området som ska uppgraderas, närmast där LHC:s protoner kolliderar. Eftersom HL-LHC kommer att kollidera protoner snabbare, kommer partikelvägar att snabbt börja samlas.

"Den nya pixeldetektorn har en finare granularitet", säger Anders Ryd, huvudutredare för National Science Foundation-finansierade uppgraderingar och professor vid Cornell University. "Vi behöver högre hastigheter och högre granularitet så att de faktiskt kan detektera varje partikel. Annars har du så många partiklar som går igenom att du bara ser ett utstryk."

Samarbetspartners kommer att lägga till åtta diskar i den främre delen av den inre spåraren, vilket utökar pixeldetektorns täckning. För att hantera snabbavfyrningsdata kommer teamet att montera och lägga till tusentals små moduler till den yttre spåraren. De kommer att vara utrustade med sensorer och applikationsspecifika integrerade kretschips som kan börja filtrera och reducera data omedelbart, vilket gör att den yttre spåraren kan bearbeta information med en svindlande hastighet av 40 miljoner gånger per sekund.

Tidsdetektor

CMS-forskare bygger ett helt nytt lager utanför spåraren som kallas Minimum Ionizing Particles, eller MIP, timingdetektor. Tidsdetektorn dämpar upphopning, eller en trasslig röra av partikelvägar, genom att ge forskare information om när en partikel kom in i detektorn. Genom att använda oöverträffad precision för att mäta ankomsttiden för partiklar kommer forskare att kunna urskilja individuella vägar och rekonstruera dem i 4D.

"Vi lägger till ett detektorlager som kommer att ge oss en precisionsmätning av individuella laddade partiklar från LHC-kollisioner längs deras väg", säger Patricia McBride, en forskare vid DOE:s Fermi National Accelerator Laboratory som, vald av 3 000 fysiker i det internationella CMS Samverkan till rollen, blir chef för samarbetet tidigt i höst. "Detta kommer att ge oss information om vilken typ av partikel det är och vilken primärkollision den kom ifrån. Vi kommer att kunna använda rums- och tidsinformation för att identifiera de intressanta spåren i händelsen."

Timingdetektorn är formad som en pipa med två ändlock, och dess lufttäta tätning förhindrar energiförlust och håller damm borta. Uppgraderingsteamet designar och bygger nu moduler, elektronik och mjukvara för denna tidsdetektor.

Trigger och datainsamling

CMS-utlösaren väljer potentiellt intressanta kollisionshändelser och fångar relevant data, och kasserar mer vetenskapligt godartade händelser för att hålla mängden data hanterbar. När den är i drift kommer en av de nya triggarna att ta in information från den uppgraderade yttre spåraren. Viktigt är att den nya triggern kommer att använda artificiell intelligens och maskininlärning i sin datainsamling av den stora mängd data som förväntas från LHC-kollisioner.

"Vi måste introducera lite smarthet i evenemangsvalet tidigt", säger Vaia Papadimitriou, som är biträdande chef för uppgraderingsprojektet och en forskare vid Fermilab, värdlaboratoriet för samarbetet mellan USA och CMS. "Detta låter oss minska mängden data vi behöver bearbeta och hjälper oss att eliminera bakgrundssignaler som skulle komma i vägen för det vi faktiskt försöker studera."

Uppgraderingar av datainsamlingssystemet gör det möjligt för teamet att samla in data snabbare för att hålla jämna steg med de ökade LHC-kollisionshastigheterna.

Kalorimetrar

CMS är utrustat med cylinder- och ändkapselkalorimetrar, detektorer som mäter partiklars energi.

Endcap-kalorimetern flankerar de inre detektorerna och analyserar partikelskurarna från kollisioner. Den nuvarande ändkapselkalorimetern kommer att helt ersättas av en ny kalorimeter med hög granularitet, eller HGCal, den första i sitt slag som ska användas vid ett kolliderexperiment.

Detektorn kommer att ha utmärkt tidsupplösning och otroligt fin rumslig upplösning, vilket möjliggör exakt rekonstruktion av de många partiklarna som produceras. För att bygga den kommer samarbetspartners att montera tiotusentals moduler med små kisel- eller scintillatorsensorer. Modulerna kommer att bilda hundratals kassetter, som innehåller de integrerade kretsarna och elektroniken som kan hantera data direkt på detektorn och överföra den till datainsamlingssystemet.

Teamet uppgraderar också en del av den elektromagnetiska kalorimetern. "Vi kommer att ersätta det vi kallar "front-end-elektroniken", det elektroniska systemet installerat precis där på detektorn, säger Paolo Rumerio, biträdande uppgraderingskoordinator och fysiker vid University of Alabama. Det nya systemet kommer att kunna för att hantera det ökade dataflödet.

"Dessa kalorimetrar kommer att ge en mängd information som gör det möjligt för CMS att rekonstruera energiavlagringar, eller duschar, som kommer från olika partiklar," sa Rumerio. "Energien och den exakta timingen för varje partikel kan mätas och användas i dataanalysen."

Muner

Att samla information om myoner är viktigt för CMS, som man kan förvänta sig av dess namn:Compact Muon Solenoid. Myonerna från partikelkollisioner kan färdas ganska långt utan att interagera, så detta lager av detektorn sitter utanför kalorimetrarna.

Det nya myonsystemet kommer att ha uppgraderad elektronik, bättre tidsupplösning och en ökad förmåga att upptäcka myoner som kommer från strålen i ett större spektrum av vinklar. Flera nya elektroniska tavlor kommer att hantera databehandling och avläsning. Samarbetspartners förbättrar också den fasta programvaran och programvaran som används för att styra elektroniken på dessa kort.

"MREFC [Major Research Equipment and Facility Construction-projektet] stödde uppgraderingar av de främre myondetektorerna inkluderar ny elektronik för att stödja de högre datahastigheterna vid HL-LHC, såväl som avläsning av nya gaselektronmultiplikatordetektorer som kommer att utöka myondetektorn täckning närmare strållinjen," sa Ryd. "Dessa uppgraderingar kommer att ge en betydande förbättring av CMS muondetekteringsförmåga."

Gå framåt

Idag är uppgraderingar för CMS-detektorn i olika stadier, men alla kommer att följa en liknande väg. Efter år av utveckling och prototyper går samarbetet nu vidare till att bygga eller förvärva delarna, börja tillverka systemkomponenter på olika amerikanska laboratorier, kontrollera dem med rigorösa tester och sedan leverera dem till experimenten på CERN. Forskare kommer att installera uppgraderingskomponenterna under LHC:s tredje långa avstängning, som för närvarande är planerad att äga rum från 2026 till 2028.

När HL-LHC startar kommer den ökade datavolymen att hjälpa forskare att söka efter sällsynta fysikprocesser och ytterligare undersöka Higgs-bosonen. Forskare tror att Higgs tillhandahåller mekanismen genom vilken alla andra partiklar får sin massa, men forskarna har fortfarande mycket att lära sig om universum genom att studera partikeln med större precision.

"Higgsbosonen är en så grundläggande partikel att det inte är tillräckligt bra att upptäcka den", sa Papadimitriou. "Vi behöver ha mycket kompletterande information för att studera Higgs-bosonens alla egenskaper. Och eftersom Higgs-bosonen förutsägs av standardmodellen, om vi hittar några egenskaper som skiljer sig från vad standardmodellen förutsäger, är det ett stort genombrott." + Utforska vidare

Large Hadron Collider tar första data i rekordstor körning