A volte grandi domande richiedono grandi strumenti. Ecco perché una comunità globale di scienziati ha progettato e costruito giganteschi rivelatori per monitorare le collisioni di particelle ad alta energia generate dal Large Hadron Collider del CERN a Ginevra, Svizzera. Da queste collisioni, gli scienziati possono ripercorrere le orme del Big Bang e cercare nuove proprietà della natura.

L'esperimento CMS è uno di questi rivelatori. Nel 2012, ha co-scoperto l'elusivo bosone di Higgs con il suo esperimento gemello, ATLANTE. Ora, Gli scienziati CMS vogliono spingersi oltre le leggi fisiche conosciute e cercare nuovi fenomeni che potrebbero aiutare a rispondere a domande fondamentali sul nostro universo. Ma per fare questo, il rilevatore CMS necessitava di un aggiornamento.

"Proprio come qualsiasi altro dispositivo elettronico, nel tempo parti del nostro rilevatore si consumano, " ha detto Steve Nahn, un ricercatore nel Fermilab del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e il project manager degli Stati Uniti per gli aggiornamenti del rivelatore CMS. "Abbiamo pianificato e progettato questo aggiornamento da poco dopo che il nostro esperimento ha iniziato a raccogliere dati nel 2010".

Il rilevatore CMS è costruito come una cipolla gigante. Contiene strati di strumenti che tracciano la traiettoria, energia e quantità di moto delle particelle prodotte nelle collisioni di LHC. La stragrande maggioranza dei sensori nell'enorme rivelatore è racchiusa nel suo centro, all'interno di quello che viene chiamato il rilevatore di pixel. Il rilevatore di pixel CMS utilizza sensori come quelli all'interno delle fotocamere digitali ma con una velocità dell'otturatore fulminea:in tre dimensioni, scattano 40 milioni di foto al secondo.

Negli ultimi anni, scienziati e ingegneri del Fermilab e di 21 università statunitensi hanno assemblato e testato un nuovo rilevatore di pixel per sostituire quello attuale come parte dell'aggiornamento del CMS, con finanziamenti forniti dal Dipartimento di Energia Office of Science e National Science Foundation.

Il rilevatore di pixel è costituito da tre sezioni:la sezione del barilotto più interna e due cappucci terminali chiamati rilevatori di pixel anteriori. La struttura a più livelli e simile a una lattina offre agli scienziati una sfera di copertura quasi completa attorno al punto di collisione. Poiché i tre rilevatori di pixel si adattano al tubo del fascio come tre braccialetti ingombranti, gli ingegneri hanno progettato ogni componente come due mezze lune, che si agganciano insieme per formare un anello attorno al tubo della trave durante il processo di inserimento.

Col tempo, gli scienziati hanno aumentato il tasso di collisioni di particelle all'LHC. Solo nel 2016 l'LHC ha prodotto tante collisioni quante ne aveva avute nei tre anni della sua prima corsa. Per essere in grado di distinguere decine di collisioni simultanee, CMS aveva bisogno di un nuovo rilevatore di pixel.

L'aggiornamento racchiude ancora più sensori nel cuore del rilevatore CMS. È come se CMS passasse da una fotocamera da 66 megapixel a una fotocamera da 124 megapixel.

Ciascuno dei due rilevatori di pixel anteriori è un mosaico di 672 sensori al silicio, elettronica robusta e fasci di cavi e fibre ottiche che alimentano elettricità e istruzioni e trasportano dati grezzi, secondo Marco Verzocchi, un ricercatore del Fermilab sull'esperimento CMS.

La multiparte, Il rilevatore di pixel lungo 6,5 metri è delicato come gli spaghetti crudi. L'installazione dei nuovi componenti in uno spazio delle dimensioni di un tombino richiedeva più di una semplice finezza. Ha richiesto mesi di pianificazione e coordinamento estremo.

"Abbiamo praticato questa installazione su modelli del nostro rilevatore molte volte, " ha detto Greg Derylo, un ingegnere al Fermilab. "Quando siamo arrivati ​​all'installazione vera e propria, sapevamo esattamente come dovevamo inserire questo nuovo componente nel cuore di CMS."

La parte più difficile è stata manovrare i delicati componenti attorno alle strutture preesistenti all'interno dell'esperimento CMS.

"In totale, il rilevatore di pixel completo in tre parti è costituito da sei segmenti separati, che si incastrano come un puzzle cilindrico tridimensionale attorno al tubo della trave, "ha detto Stefania Timpone, un ingegnere del Fermilab. "Inserire i pezzi nelle giuste posizioni e nel giusto ordine senza toccare nessuno dei supporti e delle protezioni preesistenti è stata una danza ben coreografata."

Per ingegneri come Timpone e Derylo, l'installazione del rilevatore di pixel è stata l'ultima fase di un processo durato sei anni. Ma per gli scienziati che lavorano all'esperimento CMS, era solo l'inizio.

"Ora dobbiamo farlo funzionare, " ha detto Stefanos Leontsinis, un ricercatore post-dottorato presso l'Università del Colorado, Masso. "Passeremo le prossime settimane a testare i componenti e prepararci per il riavvio di LHC".