Se instala un disco de píxeles de avance completo en su cilindro de servicio, donde eventualmente se conectará a la electrónica y la refrigeración. Cada uno de los 672 sensores de silicio está conectado a placas electrónicas mediante cables delgados y flexibles (que se ven colgando debajo del disco). El mapa (que se ve en la tabla) es importante para enrutar todos los cables y realizar las conexiones correctas dentro del cilindro de servicio. De izquierda a derecha:Stephanie Timpone, Greg Derylo, Otto Alvarez, todo Fermilab. Crédito:Maximilien Brice, CERN
A veces, las grandes preguntas requieren grandes herramientas. Es por eso que una comunidad global de científicos diseñó y construyó detectores gigantes para monitorear las colisiones de partículas de alta energía generadas por el Gran Colisionador de Hadrones del CERN en Ginebra. Suiza. De estas colisiones los científicos pueden seguir los pasos del Big Bang y buscar nuevas propiedades de la naturaleza.
El experimento CMS es uno de esos detectores. En 2012, co-descubrió el escurridizo bosón de Higgs con su experimento hermano, ATLAS. Ahora, Los científicos de CMS quieren ir más allá de las leyes físicas conocidas y buscar nuevos fenómenos que puedan ayudar a responder preguntas fundamentales sobre nuestro universo. Pero para hacer esto el detector CMS necesitaba una actualización.
"Como cualquier otro dispositivo electrónico, con el tiempo, partes de nuestro detector se desgastan, "dijo Steve Nahn, investigador del Fermilab del Departamento de Energía de EE. UU. y gerente de proyectos de EE. UU. para las actualizaciones del detector CMS. "Hemos estado planificando y diseñando esta actualización desde poco después de que nuestro experimento comenzara a recopilar datos en 2010."
El detector CMS está construido como una cebolla gigante. Contiene capas de instrumentos que rastrean la trayectoria, energía y momento de las partículas producidas en las colisiones del LHC. La gran mayoría de los sensores del detector masivo están empaquetados en su centro, dentro de lo que se llama detector de píxeles. El detector de píxeles CMS utiliza sensores como los que se encuentran dentro de las cámaras digitales pero con una velocidad de obturación ultrarrápida:en tres dimensiones, toman 40 millones de fotografías por segundo.
Durante los últimos años, Científicos e ingenieros de Fermilab y 21 universidades de EE. UU. han estado ensamblando y probando un nuevo detector de píxeles para reemplazar el actual como parte de la actualización de CMS. con fondos proporcionados por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía y la Fundación Nacional de Ciencias.
Esto muestra la sección más externa del detector de píxeles hacia adelante. Cada cuña verde es un módulo de píxeles. "Los módulos de píxeles son sándwiches electrónicos complejos, ”Dijo Marco Verzocchi. El sensor de silicio está en el medio, los chips de lectura están en la parte inferior, y el circuito impreso verde está en la parte superior. El 66 650 píxeles y 16 chips de lectura por módulo están interconectados a través de un cableado y una electrónica delicados. Los cables de cobre flexibles que emanan de los módulos de píxeles llevan los datos recopilados por los sensores de silicio a la electrónica de lectura (que están ocultos detrás de las cubiertas amarillas). El objeto plateado en el medio de la fotografía es el tubo del rayo con su cable de soporte debajo. Crédito:Satoshi Hasegawa, Fermilab
El detector de píxeles consta de tres secciones:la sección de barril más interna y dos tapas finales llamadas detectores de píxeles hacia adelante. La estructura escalonada y en forma de lata brinda a los científicos una esfera de cobertura casi completa alrededor del punto de colisión. Debido a que los tres detectores de píxeles encajan en el tubo del haz como tres pulseras voluminosas, Los ingenieros diseñaron cada componente como dos medias lunas, que se enganchan para formar un anillo alrededor del tubo de la viga durante el proceso de inserción.
Tiempo extraordinario, Los científicos han aumentado la tasa de colisiones de partículas en el LHC. Solo en 2016, el LHC produjo tantas colisiones como en los tres años de su primera ejecución. Para poder diferenciar entre decenas de colisiones simultáneas, CMS necesitaba un nuevo detector de píxeles.
La actualización incluye aún más sensores en el corazón del detector CMS. Es como si CMS pasara de una cámara de 66 megapíxeles a una de 124 megapíxeles.
Cada uno de los dos detectores de píxeles hacia adelante es un mosaico de 672 sensores de silicio, electrónica robusta y haces de cables y fibras ópticas que alimentan la electricidad y las instrucciones y transportan datos en bruto, según Marco Verzocchi, un investigador de Fermilab en el experimento CMS.
El multiparte, El detector de píxeles de 6,5 metros de largo es tan delicado como los espaguetis crudos. La instalación de los nuevos componentes en un espacio del tamaño de una boca de alcantarilla requería algo más que delicadeza. Requirió meses de planificación y coordinación extrema.
El detector CMS está actualmente abierto para que los científicos puedan instalar el detector de píxeles en el mismo centro del experimento (alrededor del tubo del haz). Una grúa bajó las seis piezas del detector de píxeles a través de un pozo de 100 metros de profundidad hasta la caverna CMS. Luego, una segunda grúa lo colocó sobre la plataforma amarilla que se instaló especialmente para esta instalación. Crédito:Maximilien Brice, CERN
"Practicamos esta instalación en maquetas de nuestro detector muchas veces, "dijo Greg Derylo, ingeniero en Fermilab. "Cuando llegamos a la instalación real, sabíamos exactamente cómo teníamos que introducir este nuevo componente en el corazón de CMS ".
La parte más difícil fue maniobrar los delicados componentes alrededor de las estructuras preexistentes dentro del experimento CMS.
"En total, el detector de píxeles completo de tres partes consta de seis segmentos separados, que encajan como un rompecabezas cilíndrico tridimensional alrededor del tubo de la viga, "dijo Stephanie Timpone, un ingeniero de Fermilab. "Insertar las piezas en las posiciones correctas y en el orden correcto sin tocar ninguno de los soportes y protecciones preexistentes fue un baile bien coreografiado".
Para ingenieros como Timpone y Derylo, La instalación del detector de píxeles fue el último paso de un proceso de seis años. Pero para los científicos que trabajan en el experimento CMS, Era sólo el principio.
"Ahora tenemos que hacer que funcione, "dijo Stefanos Leontsinis, investigador postdoctoral en la Universidad de Colorado, Roca. "Pasaremos las próximas semanas probando los componentes y preparándonos para el reinicio del LHC".
