Gli enormi rivelatori che forniscono una finestra sulle particelle più piccole del mondo sono programmati per un aggiornamento di 153 milioni di dollari, e un team di scienziati della Purdue University giocherà un ruolo chiave, continuando l'eredità decennale dell'università con gli esperimenti storici presso l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare, o CERN.

Nei prossimi cinque anni, la collaborazione internazionale migliorerà di dieci volte la sensibilità del Compact Muon Solenoid, o CMS, rivelatore, e prepararlo a sopportare livelli di radiazioni equivalenti al nucleo di un reattore nucleare quando il CERN aumenta l'intensità dei fasci di protoni nel Large Hadron Collider (LHC), il più grande e potente acceleratore di particelle del mondo.

"I livelli di radiazioni che i rilevatori dovranno affrontare in questa prossima fase di esperimenti rappresentano una vera sfida. Dobbiamo trovare materiali che sopravviveranno a questa esposizione per 10 anni senza trasformarsi in polvere, " ha detto Matthew Jones, il professore di fisica e astronomia della Purdue, ricercatore principale del progetto finanziato dalla National Science Foundation e condotto dalla Cornell University. "Siamo davvero al limite, e i progressi tecnologici di questo progetto informeranno i campi che abbracciano l'esplorazione dello spazio, informatica e ottica. Ma il nostro obiettivo è comprendere la natura delle particelle fondamentali da cui è costruito il nostro mondo".

Dalla distruzione di particelle quasi alla velocità della luce alla scoperta della particella di Higgs e alla celebrazione del Premio Nobel che seguì, I ricercatori della Purdue hanno costantemente perseguito la scienza insieme ai loro colleghi internazionali al CERN.

I ricercatori sperano che questa prossima fase dello storico esperimento di fisica delle particelle apra le porte a una comprensione più profonda dei misteri fisici fondamentali, come la materia oscura e le origini dell'universo.

"Stiamo cercando di trovare nuova fisica e di testare i modelli teorici, " ha detto Andreas Jung, Purdue professore di fisica e astronomia e co-investigatore principale del progetto. "Quando LHC aumenterà l'intensità dei fasci di protoni nel 2027, creerà un ordine di grandezza in più di collisioni registrate, forse anche creando nuove particelle mai viste prima. Allo stesso tempo, i rivelatori aggiornati ci permetteranno di catturare più di questi eventi e con una risoluzione molto migliore che mai."

Il rilevatore CMS è, in sostanza, un 14, Fotocamera ad altissima risoluzione da 000 tonnellate delle dimensioni di un edificio per uffici di quattro piani che circonda quasi completamente un punto di collisione dei fasci di LHC. Attualmente, il cuore del rilevatore CMS è dotato di una telecamera ad alta risoluzione di 80 milioni di singoli pixel di silicio. Ogni 25 nanosecondi i detriti delle collisioni di protoni nei fasci passano attraverso i pixel, e al suo interno vi sono tracce della vita delle particelle elementari create solo per un istante quando i protoni vengono frantumati nei loro pezzi costituenti.

L'aggiornamento del CMS ridurrà le dimensioni di ciascun pixel di silicio e allo stesso tempo estenderà la copertura del rilevatore, con un totale di 2 miliardi di pixel di silicio da posizionare al centro del rivelatore aggiornato. Proprio come le fotocamere dei nostri telefoni, un sensore con più pixel produce immagini più nitide, e gli scienziati potranno vedere la creazione, contributi ed effetti indiretti di queste particelle fondamentali in modo più dettagliato che mai.

Purdue è il centro di assemblaggio principale per i nuovi moduli pixel in silicio del rilevatore di silicio interno del CMS e supervisionerà e coordinerà l'assemblaggio dei moduli presso altre istituzioni.

In una camera bianca nel Purdue Physics Building, l'attrezzatura robotica è stata programmata e testata per mettere insieme i sensori e i circuiti stampati che formano i moduli pixel. La precisione richiesta è il posizionamento entro 10 micron, o circa un quinto del diametro di un capello umano, e collegamenti elettrici ad alta densità con 10 fili per millimetro.

"Questa è la terza generazione del rilevatore CMS, e siamo stati coinvolti nella produzione dei moduli pixel in silicio sin dall'inizio, " ha detto Jones. "Oltre alla robotica di precisione, stiamo sfruttando tutti i progressi nella tecnologia dei circuiti integrati e dei computer negli ultimi 10 anni. Per esempio, ogni sensore avrà molta più memoria, così un'immagine può essere memorizzata nel sensore finché non siamo pronti per leggerla."

Purdue progetterà e produrrà anche le grandi strutture in fibra di carbonio che supportano l'intero rilevatore di pixel di tracciamento. Non solo affronteranno livelli estremi di radiazioni, anche l'attrezzatura progettata su misura deve essere estremamente leggera, forte e termicamente conduttivo. Le strutture devono essere in grado di sostenere 50 volte il loro peso per soddisfare le specifiche.

"Le strutture in fibra di carbonio che progettiamo devono essere leggere, forte e conduce rapidamente il calore generato lontano dal rivelatore, " disse Abraham Mathew Koshy, uno studente di dottorato nel gruppo di ricerca di Jung. "Dobbiamo adattare una tecnologia diversa alle nostre esigenze e sviluppare nuove tecniche di misurazione. Ciò che facciamo non andrà solo a beneficio della fisica delle particelle, potrebbe essere utilizzato nell'ingegneria aeronautica o spaziale o anche per migliorare gli oggetti che usiamo ogni giorno.

"Per me, la parte migliore del lavoro in fisica è che è un misto di tutto. Offre una comprensione del mondo e un modo per spiegarlo scientificamente".

L'LHC al CERN fornisce una capacità cruciale per rispondere a importanti domande sui costituenti elementari della materia e le forze fondamentali che controllano il loro comportamento al livello più elementare. A partire da marzo 2010, quando avvennero le prime collisioni protone-protone, l'energia dell'acceleratore è stata costantemente aumentata per allargare la portata di massa nella ricerca di nuove particelle. Si ritiene che la gamma di energia e la sensibilità senza precedenti dell'LHC combinate con le capacità speciali dell'esperimento CMS porteranno a una svolta nella nostra comprensione della natura, ha detto Jung.

Norbert Neumeister, Purdue professore di fisica e astronomia, è il capogruppo dell'esperimento CMS a Purdue e il ricercatore principale della ricerca CMS finanziata dal Dipartimento dell'energia incentrata sull'analisi delle grandi quantità di dati.

"LHC produce circa 15 petabyte di dati all'anno, o l'equivalente di circa 3 milioni di DVD all'anno, cui migliaia di scienziati in tutto il mondo accedono e analizzano, " ha detto Neumeister. "Questo enorme set di dati ha permesso alla collaborazione CMS di esplorare un'ampia gamma di fenomeni di fisica delle particelle".

LHC riprenderà la sua attività e raccoglierà dati nel 2021, allo stesso tempo, il team lavora sugli aggiornamenti del rivelatore per la fase successiva dell'esperimento.