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    Científicos a la vanguardia con la actualización al detector CMS

    El detector CMS. Crédito:CERN / Maximilien Brice

    Los enormes detectores que brindan una ventana a las partículas más pequeñas del mundo están programados para una actualización de $ 153 millones, y un equipo de científicos de la Universidad de Purdue desempeñarán un papel clave, continuando el legado de décadas de la universidad con los experimentos históricos en la Organización Europea para la Investigación Nuclear, o CERN.

    Durante los próximos cinco años, la colaboración internacional mejorará diez veces la sensibilidad del Solenoide Compact Muon, o CMS, detector, y prepararlo para soportar niveles de radiación equivalentes al núcleo de un reactor nuclear cuando el CERN aumenta la intensidad de los haces de protones en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el acelerador de partículas más grande y poderoso del mundo.

    “Los niveles de radiación que enfrentarán los detectores en esta próxima fase de experimentos presentan un verdadero desafío. Tenemos que encontrar materiales que sobrevivan a esta exposición durante 10 años sin convertirse en polvo, "dijo Matthew Jones, el profesor Purdue de física y astronomía que es investigador principal del proyecto financiado por la Fundación Nacional de Ciencias y dirigido por la Universidad de Cornell. "Estamos realmente a la vanguardia, y los avances tecnológicos de este proyecto informarán los campos que abarcan la exploración espacial, informática y óptica. Pero nuestro objetivo es comprender la naturaleza de las partículas fundamentales a partir de las cuales está construido nuestro mundo ".

    Desde romper partículas a una velocidad cercana a la de la luz hasta el descubrimiento de la partícula de Higgs y la celebración del Premio Nobel que siguió, Los investigadores de Purdue han perseguido persistentemente la ciencia junto con sus colegas internacionales del CERN.

    Los investigadores tienen la esperanza de que esta próxima fase del histórico experimento de física de partículas abra la puerta a una comprensión más profunda de los misterios físicos fundamentales. como la materia oscura y los orígenes del universo.

    "Estamos tratando de encontrar nueva física y probar los modelos teóricos, "dijo Andreas Jung, Profesor Purdue de física y astronomía y co-investigador principal del proyecto. "Cuando el LHC aumente la intensidad de los haces de protones en 2027, creará un orden de magnitud más de colisiones registradas, quizás incluso creando nuevas partículas nunca antes vistas. Al mismo tiempo, los detectores actualizados nos permitirán capturar más de estos eventos y con una resolución mucho mejor que nunca ".

    El detector CMS es, en esencia, un 14, Cámara de resolución extremadamente alta de 000 toneladas del tamaño de un edificio de oficinas de cuatro pisos que rodea casi por completo un punto de colisión de los haces del LHC. En la actualidad, el corazón del detector CMS está equipado con una cámara de alta resolución de 80 millones de píxeles de silicio individuales. Cada 25 nanosegundos, los desechos de las colisiones de protones en los haces pasan a través de los píxeles, y dentro de él hay rastros de la vida de las partículas elementales creadas solo por un instante cuando los protones se rompen en sus piezas constituyentes.

    La actualización de CMS reducirá el tamaño de cada píxel de silicio y, al mismo tiempo, ampliará la cobertura del detector. con un total de 2 mil millones de píxeles de silicio que se colocarán en el centro del detector actualizado. Al igual que las cámaras de nuestros teléfonos un sensor con más píxeles produce imágenes más nítidas, y los científicos podrán ver la creación, contribuciones y efectos indirectos de estas partículas fundamentales con mayor detalle que nunca.

    Purdue es el centro de ensamblaje principal para los nuevos módulos de píxeles de silicio del detector de silicio interno del CMS y supervisará y coordinará el ensamblaje del módulo en otras instituciones.

    En una instalación de sala limpia en el Purdue Physics Building, Se ha programado y probado equipo robótico para ensamblar los sensores y las placas de circuito que forman los módulos de píxeles. La precisión requerida es la colocación dentro de 10 micrones, o aproximadamente una quinta parte del diámetro de un cabello humano, y conexiones eléctricas de alta densidad con 10 hilos por milímetro.

    "Esta es la tercera generación del detector CMS, y hemos estado involucrados en la fabricación de módulos de píxeles de silicio desde el principio, ", Dijo Jones." Además de la robótica de precisión, estamos aprovechando todos los avances en circuitos integrados y tecnología informática durante los últimos 10 años. Por ejemplo, cada sensor tendrá mucha más memoria, para que se pueda almacenar una imagen en el sensor hasta que estemos listos para leerla ".

    Purdue también diseñará y fabricará las grandes estructuras de fibra de carbono que soportan todo el detector de píxeles de seguimiento. No solo enfrentarán niveles extremos de radiación, el equipo de diseño personalizado también debe ser extremadamente ligero, fuerte y termoconductor. Las estructuras deben poder soportar 50 veces su peso para cumplir con las especificaciones.

    "Las estructuras de fibra de carbono que diseñamos deben ser ligeras, fuerte y conduce rápidamente cualquier calor generado lejos del detector, "dijo Abraham Mathew Koshy, estudiante de doctorado en el grupo de investigación de Jung. "Tenemos que adaptar diferentes tecnologías a nuestras necesidades y desarrollar nuevas técnicas de medición. Lo que hagamos no solo beneficiará a la física de partículas, Podría usarse en ingeniería de aeronaves o naves espaciales o incluso para mejorar los elementos que usamos todos los días.

    "Para mi, la mejor parte de trabajar en física es que es una mezcla de todo. Ofrece una comprensión del mundo y una forma de explicarlo científicamente ".

    El LHC en el CERN proporciona una capacidad crucial para responder preguntas importantes sobre los componentes elementales de la materia y las fuerzas fundamentales que controlan su comportamiento en el nivel más básico. A partir de marzo de 2010, cuando se produjeron las primeras colisiones protón-protón, la energía del acelerador se incrementó constantemente para ampliar el alcance de la masa en la búsqueda de nuevas partículas. Se cree que el rango de energía y la sensibilidad sin precedentes del LHC combinados con las capacidades especiales del experimento CMS conducirán a un gran avance en nuestra comprensión de la naturaleza. Dijo Jung.

    Norbert Neumeister, Profesor de física y astronomía de Purdue, es el líder del grupo del experimento de CMS en Purdue e investigador principal de la investigación de CMS financiada por el Departamento de Energía y centrada en el análisis de grandes cantidades de datos.

    "El LHC produce aproximadamente 15 petabytes de datos al año, o el equivalente a unos 3 millones de DVD al año, que miles de científicos de todo el mundo acceden y analizan, ", Dijo Neumeister." Este enorme conjunto de datos ha permitido a la colaboración de CMS explorar una amplia gama de fenómenos de física de partículas ".

    El LHC reiniciará su funcionamiento y recopilará datos en 2021, al mismo tiempo, el equipo trabaja en las actualizaciones del detector para la siguiente fase del experimento.


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