Zwei Detektor-Upgrades von ALICE, dem speziellen Schwerionenphysik-Experiment am Large Hadron Collider (LHC), wurden kürzlich für die Installation während der nächsten langen Abschaltung des LHC, die von 2026 bis 2028 stattfinden wird, genehmigt. Das erste ist ein Upgrade der innersten drei Schichten des Inner Tracking Systems (ITS3), und die zweite ist ein neues Vorwärtskalorimeter (FoCal), das für die Photonenerkennung in der Vorwärtsrichtung des ALICE-Detektors optimiert ist.
Hochenergetische Kollisionen schwerer Ionen wie Bleikerne am LHC erzeugen Quark-Gluon-Plasma: die heißeste und dichteste Flüssigkeit, die jemals in einem Labor untersucht wurde. Neben der Untersuchung der Eigenschaften von Quark-Gluon-Plasma deckt das ALICE-Programm ein breites Themenspektrum mit starker Wechselwirkung ab, wie etwa die Bestimmung der Struktur von Kernen und der Wechselwirkungen zwischen instabilen Teilchen, wie im vorgestellt Artikel „Eine Reise durch das Quark-Gluon-Plasma und darüber hinaus.“
Inneres Trackingsystem (ITS3)
Das aktuelle Inner Tracking System von ALICE, das für den laufenden LHC-Lauf installiert wurde, ist mit 10 m2 aktiver Siliziumfläche und fast 13 Milliarden Pixeln der bislang größte Pixeldetektor der Welt. Das neue Inner Tracking System, ITS3, baut auf dem erfolgreichen Einsatz monolithischer aktiver Pixelsensoren auf und bringt dieses Konzept auf die nächste Stufe.
„ALICE ist wie eine hochauflösende Kamera, die komplexe Details von Teilchenwechselwirkungen erfasst. ITS3 ist bereit, die Zielauflösung der Spuren im Vergleich zum aktuellen ITS-Detektor um den Faktor 2 zu steigern“, sagten Alex Kluge und Magnus Mager, der Projektleiter von ITS3. „Dies wird die Messungen der vom Quark-Gluon-Plasma emittierten Wärmestrahlung erheblich verbessern und Einblicke in die Wechselwirkungen von Charm- und Beauty-Quarks bei ihrer Ausbreitung durch das Plasma liefern.“
Die ITS3-Sensoren sind 50 µm dick und bis zu 26×10 cm2 groß. Um dies zu erreichen, wurde eine neuartige Nähtechnologie eingesetzt, um einzelne Sensoren zu einer großen Struktur miteinander zu verbinden. Diese Sensoren können nun in einer wirklich zylindrischen Form um das Strahlrohr gebogen werden. Die erste Schicht wird nur 2 mm vom Strahlrohr und 19 mm vom Interaktionspunkt entfernt platziert. Es kann jetzt mit Luft statt mit Wasser gekühlt werden und verfügt über eine viel leichtere Trägerstruktur, wodurch die Materialien und deren Einfluss auf die im Detektor beobachteten Partikelbahnen deutlich reduziert werden.
Vorwärtskalorimeter (FoCal)
Der FoCal-Detektor besteht aus einem elektromagnetischen Kalorimeter (FoCal-E) und einem hadronischen Kalorimeter (FoCal-H). FoCal-E ist ein hochgranulares Kalorimeter, das aus 18 Schichten Silizium-Pad-Sensoren mit einer Größe von jeweils 1×1 cm2 und zwei zusätzlichen Spezialschichten mit Pixeln von 30×30 μm2 besteht. FoCal-H besteht aus Kupferkapillarrohren und Szintillationsfasern.
„Durch die Messung inklusiver Photonen und ihrer Korrelationen mit neutralen Mesonen sowie der Produktion von Jets und Charmonia bietet FoCal eine einzigartige Möglichkeit für eine systematische Erforschung der QCD am kleinen Björken-x. FoCal erweitert den Umfang von ALICE durch das Hinzufügen neuer Möglichkeiten zur Erforschung „Small-x-Parton-Struktur von Nukleonen und Kernen“, sagte Constantin Loizides, Projektleiter von FoCal bei der ALICE-Kollaboration.
Die neu gebauten FoCal-Prototypen wurden kürzlich mit Strahlen im CERN-Beschleunigerkomplex, am Proton Synchrotron und Super Proton Synchrotron, getestet und zeigten, dass ihre Leistung den Erwartungen aus Detektorsimulationen entspricht.
Die Projekte ITS3 und FoCal haben den wichtigen Meilenstein der Fertigstellung ihrer technischen Designberichte erreicht, die im März 2024 von den CERN-Prüfungsausschüssen gebilligt wurden. Die Bauphase von ITS3 und FoCal beginnt jetzt, die Installation der Detektoren ist für Anfang 2028 geplant um für die Datenerfassung im Jahr 2029 bereit zu sein.