El Gran Colisionador de Hadrones del CERN vuelve a estar en funcionamiento después de un período de parada técnica programado de tres años. Los expertos hicieron circular el haz en el poderoso acelerador de partículas a fines de abril, y la física de Run 3 comenzó a principios de julio con la energía de colisión más alta jamás alcanzada.

Los experimentos del LHC esperan recopilar petabytes de datos para comprender mejor la naturaleza a la escala más pequeña. Miles de colaboradores están probando el modelo estándar de física de partículas y buscando nueva física, cosas como supersimetría, materia oscura o partículas no descubiertas.

Al mismo tiempo, los investigadores continúan preparándose para la próxima iteración del LHC.

A finales de esta década, los científicos comenzarán a operar con un acelerador mejorado para el LHC de alta luminosidad, que hará colisionar más protones con más luminosidad que nunca. Con él, los científicos esperan ver al menos de cinco a siete veces más colisiones que ahora. Los investigadores están construyendo tecnología para mejorar sus detectores para que puedan manejar la mayor luminosidad. Los detectores estarán funcionando hasta finales de 2030 y acumularán un factor de 20 datos más.

El experimento CMS, que co-descubrió el bosón de Higgs en 2012, junto con el experimento ATLAS, está actualizando varios sistemas. Cientos de personas de universidades y laboratorios de todo el mundo, incluidas instituciones de EE. UU. financiadas por el Departamento de Energía de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias, están diseñando, construyendo e instalando los nuevos componentes del detector. Estas tecnologías tienen como objetivo mejorar el experimento existente, que a la fecha ha estado en funcionamiento durante más de una década.

Los expertos están realizando actualizaciones en seis áreas clave:el sistema de seguimiento, el detector de tiempo, el sistema de activación y adquisición de datos, el calorímetro de tapa final, el calorímetro de barril y el sistema de muones. Estas actualizaciones significan que los científicos de CMS pueden medir con precisión y reconstruir mejor cómo interactúan las partículas en el detector. Estudiar su comportamiento puede conducir a nuevos conocimientos y posibles descubrimientos sobre cómo funciona nuestro universo.

El rastreador

El rastreador CMS traza el camino de una partícula a través de un campo magnético. Tiene dos componentes:un detector de píxeles interno y un detector de tiras externo, los cuales serán completamente reemplazados. El rastreador es el área más interna que se actualizará, la más cercana a donde chocan los protones del LHC. Debido a que el HL-LHC colisionará los protones más rápidamente, las trayectorias de las partículas comenzarán a acumularse rápidamente.

"El nuevo detector de píxeles tiene una granularidad más fina", dijo Anders Ryd, investigador principal de las actualizaciones financiadas por la Fundación Nacional de Ciencias y profesor de la Universidad de Cornell. "Necesitamos tasas más altas y una granularidad más alta para que puedan detectar cada partícula. De lo contrario, hay tantas partículas que solo ven una mancha".

Los colaboradores agregarán ocho discos en la región delantera del rastreador interno, ampliando la cobertura del detector de píxeles. Para manejar los datos rápidos, el equipo ensamblará y agregará miles de pequeños módulos al rastreador externo. Estarán equipados con sensores y chips de circuitos integrados específicos de la aplicación que pueden comenzar a filtrar y reducir los datos de inmediato, lo que permite que el rastreador externo procese información a una velocidad asombrosa de 40 millones de veces por segundo.

Detector de tiempo

Los investigadores de CMS están construyendo una nueva capa fuera del rastreador llamada detector de tiempo de partículas ionizantes mínimas o MIP. El detector de tiempo mitiga la acumulación, o un lío enredado de trayectorias de partículas, al brindar a los investigadores información sobre cuándo una partícula ingresó al detector. El uso de una precisión sin precedentes para medir el tiempo de llegada de las partículas permitirá a los investigadores distinguir trayectorias individuales y reconstruirlas en 4D.

"Estamos agregando una capa detectora que nos dará una medición precisa del tiempo de las partículas cargadas individuales de las colisiones del LHC a lo largo de su trayectoria", dijo Patricia McBride, científica del Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi del DOE que, elegida por 3000 físicos en el CMS internacional Colaboración con el papel, se convertirá en jefe de la colaboración a principios de este otoño. "Esto nos dará información sobre el tipo de partícula que es y de qué colisión principal proviene. Podremos usar información de espacio y tiempo para identificar las huellas interesantes en el evento".

El detector de sincronización tiene forma de barril con dos tapas en los extremos, y su sello hermético evitará la pérdida de energía y evitará la entrada de polvo. El equipo de actualización ahora está diseñando y construyendo módulos, componentes electrónicos y software para este detector de tiempo.

Disparador y adquisición de datos

El disparador CMS selecciona eventos de colisión potencialmente interesantes y captura datos relevantes, descartando eventos científicamente más benignos para mantener la cantidad de datos manejable. Cuando esté operativo, uno de los nuevos disparadores tomará información del rastreador externo actualizado. Es importante destacar que el nuevo disparador empleará inteligencia artificial y aprendizaje automático en su adquisición de datos del gran volumen de datos que se espera de las colisiones del LHC.

"Necesitamos introducir algo de inteligencia en la selección de eventos desde el principio", dijo Vaia Papadimitriou, subdirectora del proyecto de actualización y científica en Fermilab, el laboratorio anfitrión de la colaboración EE.UU.-CMS. "Esto nos permite reducir la cantidad de datos que necesitamos procesar y nos ayuda a eliminar las señales de fondo que interfieren con lo que realmente estamos tratando de estudiar".

Las actualizaciones del sistema de adquisición de datos permitirán que el equipo recopile datos más rápidamente para mantenerse al día con las mayores tasas de colisión del LHC.

Calorímetros

CMS está equipado con calorímetros de barril y tapa final, detectores que miden las energías de las partículas.

El calorímetro de tapa lateral flanquea los detectores internos y analiza las lluvias de partículas de las colisiones. El calorímetro de tapa final actual se reemplazará por completo por un nuevo calorímetro de alta granularidad, o HGCal, el primero de su tipo que se utilizará en un experimento de colisionador.

El detector tendrá una excelente resolución temporal y una resolución espacial increíblemente fina, lo que permitirá una reconstrucción precisa de las numerosas partículas producidas. Para construirlo, los colaboradores ensamblarán decenas de miles de módulos con pequeños sensores de silicio o de centelleo. Los módulos formarán cientos de casetes, que incorporarán los circuitos integrados y la electrónica que puede manejar datos directamente en el detector y transmitirlos al sistema de adquisición de datos.

El equipo también está actualizando parte del calorímetro electromagnético de barril. "Reemplazaremos lo que llamamos 'electrónica frontal", el sistema electrónico instalado allí mismo en el detector", dijo Paolo Rumerio, coordinador adjunto de actualizaciones y físico de la Universidad de Alabama. El nuevo sistema podrá para manejar el mayor flujo de datos.

"Estos calorímetros proporcionarán una gran cantidad de información que permitirá a CMS reconstruir depósitos de energía, o lluvias, que provienen de diferentes partículas", dijo Rumerio. "La energía y el tiempo preciso de cada partícula se pueden medir y utilizar en el análisis de datos".

Muones

La recopilación de información sobre muones es esencial para CMS, como cabría esperar de su nombre:Compact Muon Solenoid. Los muones de las colisiones de partículas pueden viajar bastante lejos sin interactuar, por lo que esta capa del detector se encuentra fuera de los calorímetros.

El nuevo sistema de muones tendrá una electrónica mejorada, una mejor resolución de tiempo y una mayor capacidad para detectar muones que salen del haz en una gama más amplia de ángulos. Varias tarjetas electrónicas nuevas manejarán el procesamiento y la lectura de datos. Los colaboradores también están mejorando el firmware y el software que se utilizan para controlar la electrónica de estas placas.

"El MREFC [proyecto de construcción de instalaciones y equipos de investigación principales] respaldó las actualizaciones de los detectores de muones delanteros que incluyen nueva electrónica para admitir las tasas de datos más altas en el HL-LHC, así como la lectura de nuevos detectores de multiplicador de electrones de gas que ampliarán el detector de muones. cobertura más cerca de la línea del haz", dijo Ryd. "Estas actualizaciones proporcionarán una mejora significativa de las capacidades de detección de muones de CMS".

Avanzando

Actualmente, las actualizaciones del detector CMS se encuentran en diferentes etapas, pero todas seguirán un camino similar. Después de años de desarrollo y creación de prototipos, la colaboración ahora pasa a construir o adquirir las piezas, comenzar a fabricar los componentes del sistema en diferentes laboratorios de EE. UU., examinarlos con pruebas rigurosas y luego entregarlos a los experimentos en el CERN. Los científicos instalarán los componentes de actualización durante el tercer cierre prolongado del LHC, actualmente programado para llevarse a cabo entre 2026 y 2028.

Una vez que el HL-LHC se ponga en marcha, el mayor volumen de datos ayudará a los investigadores a buscar procesos físicos raros e investigar más a fondo el bosón de Higgs. Los investigadores creen que el bosón de Higgs proporciona el mecanismo por el cual todas las demás partículas obtienen su masa, pero los científicos todavía tienen mucho que aprender sobre el universo estudiando la partícula con mayor precisión.

"El bosón de Higgs es una partícula tan fundamental que descubrirlo no es suficiente", dijo Papadimitriou. "Necesitamos tener mucha información complementaria para estudiar todas las propiedades del bosón de Higgs. Y debido a que el modelo estándar predice el bosón de Higgs, si encontramos alguna propiedad que sea diferente de lo que predice el modelo estándar, es un gran avance". + Explora más

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