Physiker der Carnegie Mellon University in Pittsburgh sind dem Bau neuer Teilchendetektoren für das Compact Muon Solenoid (CMS)-Experiment am Large Hadron Collider (LHC) des CERN einen Schritt näher gekommen.
Ein Team unter der Leitung von John Alison, einem Assistenzprofessor für Physik, und Manfred Paulini, einem Physikprofessor und stellvertretenden Dekan für Fakultäts- und Graduiertenangelegenheiten am Mellon College of Science, hat erfolgreich Prototypen für das High-Granularity Calorimeter (HGC) gebaut und getestet. , ein Upgrade des aktuellen CMS-Detektors. Einerseits ist der Bau von funktionalen Prototypen ein wichtiger Meilenstein in der mehrjährigen Entwicklung. Andererseits ist der Meilenstein der erste Schritt in einem Fertigungsprojekt, das in den nächsten drei Jahren stattfinden wird.
„CMS kann man sich als große 3D-Kamera vorstellen, die die vom LHC gelieferten Produkte der Proton-Proton-Kollisionen aufzeichnet“, sagte Alison. „Zum Beispiel wurden die vom Detektor gesammelten Bilder verwendet, um das Higgs-Boson im Jahr 2012 zu entdecken.“
Seit der Entdeckung des Higgs-Bosons liegt ein Hauptaugenmerk der Teilchenphysik darauf, die Eigenschaften des Higgs-Bosons im Detail zu studieren und nach neuen Teilchen zu suchen, die vom Standardmodell der Teilchenphysik nicht vorhergesagt werden. Durch den Vergleich von Messungen mit Vorhersagen können neue Theorien getestet werden, es werden jedoch mehr Daten benötigt.
Der LHC hat ein 15-Jahres-Programm, um die Gesamtzahl der Protonenkollisionen um den Faktor 20 zu erhöhen. Dieses Programm erfordert das schnellere Sammeln von mehr Daten und hat einen erheblichen Preis: erhöhte Strahlung. LHC-Protonenkollisionen erzeugen nicht nur neue exotische Materiezustände – wie das Higgs-Boson –, sondern auch große Mengen ionisierender Strahlung. Diese Strahlung ähnelt der, die von einem Kernreaktor erzeugt wird, und ist schädlich für Menschen und die Instrumente, aus denen der Detektor besteht.
Der aktuelle CMS-Detektor wurde vor fast 20 Jahren gebaut und war nicht dafür ausgelegt, die Menge an Strahlungsschäden zu bewältigen, die bei zukünftigen LHC-Läufen erwartet werden. Neue, verbesserte Detektoren werden benötigt, um sowohl die Qualität der aufgezeichneten Bilder zu verbessern als auch mit der anspruchsvolleren Strahlungsumgebung fertig zu werden. Hier kommt das High-Granularity Calorimeter Upgrade ins Spiel.
Big Data wird größer
Der HGC wird aktuelle CMS-Detektoren in Regionen ersetzen, die der stärksten Strahlung ausgesetzt sind. Als bildgebendes Kalorimeter der nächsten Generation wird das HGC die Präzision, mit der die LHC-Kollisionen abgebildet werden, erheblich steigern. Die Zahl der Einzelmessungen pro Bild wird von etwa 20.000 bei aktuellen Detektoren auf etwa 6 Millionen im HGC steigen. Die Messungen einzelner Partikel reichen von einer Handvoll Zahlen, die der aktuelle Detektor liefert, bis hin zu einem hochauflösenden 3D-Film, der zeigt, wie die Partikel interagieren, wenn sie den Detektor durchqueren.
Das HGC wird in den nächsten fünf Jahren gebaut, und Carnegie Mellon spielt eine führende Rolle bei seinem Bau. Das HGC wird aus 30.000 sechseckigen 20-Zentimeter-Modulen bestehen. Die Module – im Wesentlichen strahlungstolerante Digitalkameras – werden zu Rädern mit mehreren Metern Durchmesser verkachelt. Die Räder werden dann gestapelt, um den vollständigen 3D-Detektor zu bilden. Insgesamt benötigt das HGC 600 Quadratmeter aktive Siliziumsensoren.
Alison, Paulini und Valentina Dutta, eine neue Assistenzprofessorin für Physik, werden 5.000 dieser Module im Labor von Wean Hall mit Hilfe von Ingenieuren, Technikern und Studenten bauen und testen. Die verbleibenden Module werden von CMS-Mitarbeitern an der UC Santa Barbara und der Texas Tech University in den USA sowie von Gruppen in China, Indien und Taiwan produziert. Jedes Modul besteht aus einem Siliziumsensor, der an einer Leiterplatte befestigt ist, in der die Ausleseelektronik untergebracht ist, und an einer Grundplatte, die für allgemeine Stabilität sorgt.
Die Modulkonstruktion wird mit einer Reihe automatisierter Roboter durchgeführt, die Mustererkennungsalgorithmen für die Montage verwenden, und dann werden die erforderlichen ungefähr 500 elektrischen Verbindungen pro Modul hergestellt. Nach einer Reihe von Tests an der CMU werden die Module im Fermilab – einem Teilchenphysiklabor außerhalb von Chicago – auf Räder gekachelt und dann zum Einbau in den CMS-Detektor an das CERN in der Schweiz geschickt.
Die Produktion der ersten Arbeitsmodule in diesem Herbst war Teil einer Qualifizierungsübung, bei der die verschiedenen Montagezentren ihre Bereitschaft und Fähigkeit unter Beweis stellten, die von HGC benötigten hochwertigen Module zu bauen.
Die CMU-Gruppe richtete im achten Stock der Wean Hall einen Reinraum der Klasse 1.000 ein und erweiterte damit einen bestehenden Raum, der von der Mittelenergie-Physikgruppe genutzt wurde. Sie haben einen 8.000 Pfund schweren Portalroboter installiert und in Betrieb genommen, um die verschiedenen Modulschichten zu befestigen, und einen automatisierten Drahtbonder, um die elektrischen Verbindungen innerhalb der Module herzustellen. Die Prototypmodule ermöglichten es der Gruppe, ihre automatisierten Montageverfahren zu testen und die gesamte Produktionskette zu testen.
„Es ist großartig zu sehen, dass unsere Gruppe diesen Qualifikationsmeilenstein erreicht hat“, sagte Paulini. „Ich habe einige Jahre lang fleißig daran gearbeitet, dieses Projekt an die CMU zu bringen, da es auch Möglichkeiten für Doktoranden und insbesondere Studenten im Grundstudium bietet, während des Semesters oder für Sommerforschung praktische Erfahrung in der Instrumentierung in unserem Labor zu sammeln.“
Die Produktion einer Handvoll Module nach Spezifikation ist nur der Anfang. Während der vollständigen Modulproduktion – ab 2024 – wird die CMU bis Anfang 2026 12 Module pro Tag produzieren. Eine große Herausforderung bei der Steigerung des Durchsatzes wird die Rekrutierung und Einarbeitung lokaler Talente sein.
„Um den Produktionsbedarf zu decken, müssen wir die Gruppe vergrößern und vier weitere Vollzeit-Techniker und -Ingenieure einstellen, die an der täglichen Produktionslinie arbeiten werden“, sagte Jessica Parshook, die leitende Ingenieurin des Projektteams von Carnegie Mellon.
Die Entwicklung und Implementierung zuverlässiger Testverfahren zur Qualitätskontrolle ist eine weitere große Herausforderung für die Zukunft. Die Produktionspipeline benötigt mehrere Tage, um jedes Modul zu bauen. Das schnelle Erkennen und Beheben von Fehlern in der Produktion wird entscheidend sein. Postdoktoranden und Doktoranden werden die meisten Montage- und Qualitätskontrollverfahren erstellen, die einer beträchtlichen Anzahl von CMU-Studenten Gelegenheit bieten, praktische Erfahrungen beim Testen moderner Teilchenphysik-Detektoren zu sammeln.
„Unsere Bemühungen hier könnten zur nächsten großen Entdeckung in der Physik führen, und das begeistert mich“, sagte Sindhu Murthy, ein Doktorand der Physik. „In diesen frühen Phasen des Produktionsaufbaus sehe ich die verschiedenen Aspekte eines Engineering-Projekts dieser Größenordnung. Es ist eine großartige Erfahrung und ein Privileg, zu diesem Upgrade beizutragen. Ich denke immer darüber nach, wie wir die Modulmontage optimieren können.“ damit alles wie geplant läuft.“
Alison, Dutta und Paulini sagten, dass die jüngsten Fortschritte in der Bildverarbeitung durch maschinelles Lernen entscheidend sein werden, um die Qualitätskontrolle während der Produktion sicherzustellen.
„Diese Arbeit, eine Mischung aus Informatik, maschinellem Lernen und Robotik, passt perfekt zur CMU, und wir planen, Ressourcen in der gesamten Universität anzuzapfen“, sagte Alison.