Il Large Hadron Collider del CERN è tornato in azione dopo un periodo di spegnimento tecnico programmato di tre anni. Gli esperti hanno fatto circolare il raggio nel potente acceleratore di particelle alla fine di aprile e la fisica di Run 3 è iniziata all'inizio di luglio con l'energia di collisione più alta mai raggiunta.

Gli esperimenti di LHC prevedono di raccogliere petabyte di dati per comprendere meglio la natura su scala ridotta. Migliaia di collaboratori stanno testando il Modello Standard della fisica delle particelle e stanno cercando nuova fisica, cose come la supersimmetria, la materia oscura o le particelle sconosciute.

Allo stesso tempo, i ricercatori continuano a prepararsi per la prossima iterazione di LHC.

Verso la fine di questo decennio, gli scienziati inizieranno a operare con un acceleratore aggiornato per l'LHC ad alta luminosità, che entrerà in collisione con più protoni con più luminosità che mai. Con esso, gli scienziati si aspettano di vedere da cinque a sette volte il numero di collisioni che fanno ora. I ricercatori stanno costruendo la tecnologia per migliorare i loro rivelatori in modo che possano gestire la maggiore luminosità. I rilevatori saranno in funzione fino alla fine del 2030 e accumuleranno un fattore di 20 dati in più.

L'esperimento CMS, che ha scoperto insieme il bosone di Higgs nel 2012, insieme all'esperimento ATLAS, sta aggiornando diversi sistemi. Centinaia di persone provenienti da università e laboratori di tutto il mondo, comprese le istituzioni statunitensi finanziate dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dalla National Science Foundation, stanno progettando, costruendo e installando i nuovi componenti del rivelatore. Queste tecnologie mirano a migliorare l'esperimento esistente, che ad oggi è operativo da più di un decennio.

Gli esperti stanno effettuando aggiornamenti in sei aree chiave:il sistema di localizzazione, il rilevatore di tempi, il sistema di trigger e di acquisizione dati, il calorimetro del tappo terminale, il calorimetro a barilotto e il sistema di muoni. Questi aggiornamenti significano che gli scienziati CMS possono misurare con precisione e ricostruire meglio il modo in cui le particelle interagiscono nel rivelatore. Lo studio del loro comportamento può portare a nuove intuizioni e potenziali scoperte su come funziona il nostro universo.

Il localizzatore

Il tracker CMS traccia il percorso di una particella attraverso un campo magnetico. Ha due componenti:un rilevatore di pixel interno e un rilevatore di strisce esterne, entrambi completamente sostituiti. Il tracker è l'area più interna da potenziare, la più vicina al punto in cui i protoni dell'LHC si scontrano. Poiché l'HL-LHC entrerà in collisione con i protoni più rapidamente, i percorsi delle particelle inizieranno rapidamente ad accumularsi.

"Il nuovo rilevatore di pixel ha una granularità più fine", ha affermato Anders Ryd, il principale ricercatore per gli aggiornamenti finanziati dalla National Science Foundation e professore alla Cornell University. "Abbiamo bisogno di velocità più elevate e di una maggiore granularità in modo che possano effettivamente rilevare ogni particella. Altrimenti, hai così tante particelle che attraversano che vedi solo una macchia."

I collaboratori aggiungeranno otto dischi nella regione anteriore del tracker interno, estendendo la copertura del rilevatore di pixel. Per gestire i dati a fuoco rapido, il team assemblerà e aggiungerà migliaia di piccoli moduli al tracker esterno. Saranno dotati di sensori e chip di circuiti integrati specifici dell'applicazione che possono iniziare a filtrare e ridurre i dati immediatamente, consentendo al tracker esterno di elaborare le informazioni a una velocità impressionante di 40 milioni di volte al secondo.

Rilevatore di temporizzazione

I ricercatori CMS stanno costruendo un nuovissimo livello al di fuori del tracker chiamato Minimum Ionizing Particles, o MIP, rilevatore di temporizzazione. Il rilevatore di tempi mitiga l'accumulo, o un groviglio di percorsi delle particelle, fornendo ai ricercatori informazioni su quando una particella è entrata nel rilevatore. L'utilizzo di una precisione senza precedenti nella misurazione del tempo di arrivo delle particelle consentirà ai ricercatori di distinguere i percorsi individuali e di ricostruirli in 4D.

"Stiamo aggiungendo uno strato rivelatore che ci fornirà una misurazione temporale di precisione delle singole particelle cariche dalle collisioni di LHC lungo il loro percorso", ha affermato Patricia McBride, scienziata del Fermi National Accelerator Laboratory del DOE che, eletta da 3.000 fisici nel CMS internazionale Collaborazione al ruolo, diventerà capo della collaborazione all'inizio di questo autunno. "Questo ci darà informazioni sul tipo di particella che è e da quale collisione primaria è venuta. Saremo in grado di utilizzare le informazioni sullo spazio e sul tempo per identificare le tracce interessanti dell'evento."

Il rilevatore di tempo ha la forma di un barile con due tappi terminali e la sua chiusura ermetica preverrà la perdita di energia e terrà fuori la polvere. Il team di aggiornamento sta ora progettando e costruendo moduli, elettronica e software per questo rilevatore di temporizzazione.

Trigger e acquisizione dati

Il trigger CMS seleziona gli eventi di collisione potenzialmente interessanti e acquisisce i dati rilevanti, scartando gli eventi scientificamente più benigni per mantenere la quantità di dati gestibile. Quando sarà operativo, uno dei nuovi trigger acquisirà informazioni dal tracker esterno aggiornato. È importante sottolineare che il nuovo trigger utilizzerà l'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico nell'acquisizione dei dati dell'ampio volume di dati previsto dalle collisioni di LHC.

"Dobbiamo introdurre un po' di intelligenza nella selezione degli eventi all'inizio", ha affermato Vaia Papadimitriou, che è il vice manager del progetto di aggiornamento e uno scienziato del Fermilab, il laboratorio ospite per la collaborazione US-CMS. "Questo ci consente di ridurre la quantità di dati che dobbiamo elaborare e ci aiuta a eliminare i segnali di fondo che interferirebbero con ciò che stiamo effettivamente cercando di studiare."

Gli aggiornamenti al sistema di acquisizione dati consentiranno al team di raccogliere i dati più rapidamente per tenere il passo con l'aumento dei tassi di collisione di LHC.

Calorimetri

CMS è dotato di calorimetri a botte e calorimetri, rilevatori che misurano l'energia delle particelle.

Il calorimetro endcap affianca i rivelatori interni e analizza gli sciami di particelle dalle collisioni. L'attuale calorimetro endcap sarà completamente sostituito da un nuovo calorimetro ad alta granularità, o HGCal, il primo del suo genere ad essere utilizzato in un esperimento di collisione.

Il rivelatore avrà un'eccellente risoluzione temporale e una risoluzione spaziale incredibilmente fine, che consentono una ricostruzione precisa delle numerose particelle prodotte. Per costruirlo, i collaboratori assembleranno decine di migliaia di moduli con piccoli sensori al silicio oa scintillatore. I moduli formeranno centinaia di cassette, che incorporano i circuiti integrati e l'elettronica in grado di gestire i dati direttamente sul rivelatore e trasmetterli al sistema di acquisizione dati.

Il team sta anche aggiornando parte del calorimetro elettromagnetico del barilotto. "Sostituiremo quella che chiamiamo 'elettronica front-end", il sistema elettronico installato proprio lì sul rivelatore", ha affermato Paolo Rumerio, vice coordinatore dell'aggiornamento e fisico dell'Università dell'Alabama. Il nuovo sistema sarà in grado di per gestire l'aumento del flusso di dati.

"Questi calorimetri forniranno una vasta gamma di informazioni che consentiranno al CMS di ricostruire depositi di energia, o docce, che provengono da particelle diverse", ha affermato Rumerio. "L'energia e la tempistica precisa di ogni particella possono essere misurate e utilizzate nell'analisi dei dati."

Muoni

La raccolta di informazioni sui muoni è essenziale per CMS, come ci si aspetterebbe dal suo nome:Compact Muon Solenoid. I muoni delle collisioni di particelle possono viaggiare abbastanza lontano senza interagire, quindi questo strato del rivelatore si trova al di fuori dei calorimetri.

Il nuovo sistema di muoni avrà un'elettronica aggiornata, una migliore risoluzione temporale e una maggiore capacità di rilevare i muoni che escono dal raggio a una gamma più ampia di angoli. Diverse nuove schede elettroniche gestiranno l'elaborazione e la lettura dei dati. I collaboratori stanno anche migliorando il firmware e il software utilizzati per controllare l'elettronica su queste schede.

"Il progetto MREFC [Major Research Equipment and Facility Construction] ha supportato gli aggiornamenti ai rivelatori di muoni forward includono una nuova elettronica per supportare le velocità di trasmissione dati più elevate all'HL-LHC, nonché la lettura di nuovi rivelatori Gas Electron Multiplier che estenderanno il rivelatore di muoni copertura più vicina alla linea del raggio", ha detto Ryd. "Questi aggiornamenti forniranno un miglioramento significativo delle capacità di rilevamento dei muoni CMS."

Andare avanti

Oggi, gli aggiornamenti per il rivelatore CMS sono in fasi diverse, ma tutti seguiranno un percorso simile. Dopo anni di sviluppo e prototipazione, la collaborazione si sposta ora per costruire o acquisire le parti, iniziare a fabbricare componenti di sistema in diversi laboratori statunitensi, controllarli con test rigorosi e quindi consegnarli agli esperimenti al CERN. Gli scienziati installeranno i componenti di aggiornamento durante il terzo lungo arresto dell'LHC, attualmente previsto dal 2026 al 2028.

Una volta avviato l'HL-LHC, l'aumento del volume di dati aiuterà i ricercatori a cercare processi fisici rari e a indagare ulteriormente sul bosone di Higgs. I ricercatori ritengono che l'Higgs fornisca il meccanismo mediante il quale tutte le altre particelle ottengono la loro massa, ma gli scienziati hanno ancora molto da imparare sull'universo studiando la particella con maggiore precisione.

"Il bosone di Higgs è una particella così fondamentale che scoprirlo non è abbastanza buono", ha detto Papadimitriou. "Abbiamo bisogno di molte informazioni complementari per studiare tutte le proprietà del bosone di Higgs. E poiché il bosone di Higgs è previsto dal modello standard, se troviamo delle proprietà diverse da quelle previste dal modello standard, è una svolta importante". + Esplora ulteriormente

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