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欧洲核子研究组织量热仪的新时代

12 Jan 2021
取自2021年1月号 物理世界。物理研究所的会员可以享受完整的期刊 通过 物理世界 应用程式.

用于CERN 内容管理系统实验的新型量热仪是有史以来粒子物理学中最具挑战性的工程项目之一。 戴夫·巴尼(Dave Barney) 解释了它将如何对高光度大型强子对撞机的成功起到关键作用

PCB叠
(由CERN提供)

主要的地方非常安静 欧洲核子研究组织 地点位于瑞士日内瓦附近的梅林郊区。目前只有几百人,只有通常在这里的7500人的一小部分。但是今天(2020年4月21日星期二)根本不正常。自40年前CERN引入与COVID相关的限制后,这是我第一次回到现场。我不打算待很长时间:我只想收集台湾一家公司生产并交付给我办公室的20块六角形印刷电路板(PCB)。

回到家后,我将目视检查这些PCB,然后再将它们发送到附近的公司焊接各种组件,包括定制设计的,耐辐射的原型读取芯片HGCROC。这些HGCROC芯片数量有限,因此在进行焊接(不可逆过程)之前,我需要确保PCB都完好无损。因此,我在餐桌上建立了一个临时实验室,在这里通过USB将一台简单的显微镜连接到计算机(图1)。

我需要查看一些细微的细节,例如在将有用于连接至硅传感器的导线的区域上镀金的质量,以及宏观质量,例如板的平坦​​度。显微镜与我在CERN通常使用的专业设备相差甚远。但是像所有物理学家一样,COVID-19大流行迫使我即兴发挥和适应。实际上,CERN的员工,学生和用户在封锁期间一如既往地活跃。我们不仅不在同一时间都在同一地点。

figure 1

远程办公已成为我们大多数人的临时规范。只要我们拥有良好的网络连接,我们就可以进行设计,仿真和数据分析。许多人还忙于开发软件和固件(将代码半永久性地写入电子组件的内存中),并在实验室中的设备上进行远程测试。这项工作要求一些人不时进入CERN,以保持基础结构的安全和可操作性,并在必要时重置硬件。这是我为紧凑型Muon电磁阀(内容管理系统)大流行期间的实验

量热计挑战

但是回到20 cm宽的六角形PCB。它们是同类产品中的第一个,旨在从新型六边形硅传感器读取信号,并将其粘贴到该传感器上。最终将需要约30,000个类似的PCB及其相关的硅传感器,以用于一种称为“高粒度量热仪”(HGCAL)。即将取代CMS的两个“端盖”量热计–这是在CMS上进行的四个大型实验之一 大型强子对撞机 (LHC)– HGCAL将在2026/27年LHC的第三次长时间关闭期间安装(请参见框“大型强子对撞机:仍然强大“).

新的量热仪可能是迄今为止粒子物理学中最具挑战性的工程项目,尽管对于现有的CMS及其伴随检测器也可以这么说。 阿特拉斯, LHCb爱丽丝 – 20多年前开发它们时。的确,大型强子对撞机一直在推动探测器技术的发展数十年,并且至少在未来20年将继续如此。这是因为其检测器始终在不断发展,定期更换或添加组件。

当我1994年开始作为欧洲核子研究组织(CERN)研究员从事CMS时,大型强子对撞机及其实验预计将从2005年左右开始运行约15年。但是,欧洲核子研究组织决定升级对撞机以形成对撞机 高亮度LHC (HL-LHC)不仅将设备的使用寿命延长到2030年代后期,而且使它每秒产生的碰撞次数高达现在的五倍。这对物理学非常重要,但实际上,碰撞率的大幅提高将导致更复杂的碰撞和更多的辐射。 内容管理系统的端盖量热计将无法应对。

应对策略

以CMS的电磁量热仪(ECAL)为例,它与一个单独的强子量热仪一起构成每个端盖量热仪(图2)。 ECAL由透明的钨酸铅晶体制成,可做两件事,从而以惊人的精度测量光子,电子和正电子的能量。首先,它们是如此密集,它们会导致入射粒子沉积能量(主要是通过ms致辐射和成对产生),从而形成次级粒子簇射。其次,它们闪烁,产生的光与淋浴器中颗粒的数量成正比,并且将通过设备检测到的光粘贴到晶体的末端。 ECAL被称为“同质”量热仪,因为它将两种功能结合在一种材料中,因此ECAL对于CMS的成功至关重要。

问题是钨钨酸铅晶体在受到强烈照射时会失去透明性,这会减少CMS可以检测到的光量。晶体接收多少辐射取决于它们在CMS中的位置。在中间的“桶”部分,辐射相对较低,光损失可控,因此晶体仍将用于HL-LHC。但是在端盖中,会有太多的辐射,如果保留在升级的对撞机中,晶体将完全变黑,从而使CMS可以检测到的光量几乎降低到零。

figure 2

因此,我们需要用能承受HL-LHC中大量辐射的物质代替端盖钨酸铅晶体。对于CMS的其他热量计(强子热量计),情况也非常相似。它从质子,中子,介子和其他充满夸克的粒子撞击塑料闪烁体砖时发出的光中测量其能量,质子,中子,介子和其他充满了夸克的粒子的能量也将通过辐射闪烁变暗,以至于它们根本无法使用。同样,HCAL的枪管部分会很好,但需要更换端盖

但是,从事CMS的人们还需要考虑的另一个问题是,通过增加每束质子的数量,HL-LHC每秒将比LHC产生更多的碰撞。实际上,当这些串碰撞时,我们可以预期多达200次几乎同时发生的碰撞(今天为40次左右)。因此,CMS所碰撞的每个“图像”都将更加复杂,这意味着我们将需要更精细的检测器-有点像将手机上的摄像头升级为具有更多像素以获取更清晰的图像。我们目前在端盖中使用的晶体的截面积约为3 cm x 3 cm,这太粗了以至于无法将紧密间隔的粒子与复杂的HL-LHC碰撞区分开。更糟糕的是,只有一层晶体,因此我们没有获得关于阵雨如何发展的“纵向”信息(这可以帮助区分不同的粒子类型)。

因此,任何替代量热仪都需要两件事。它必须抗辐射,并且必须具有良好的横向/纵向粒度。与现有的ECAL不同,新的HGCAL将通过使致密材料层(对于前者)和检测层(对于后者)交替出现来分离产生粒子淋浴器和产生信号的功能。 HGCAL被称为“采样量热仪”,每个端盖中将有50层细颗粒传感器,总共约600μm2 高辐射区和400 m的六角形硅传感器的数量2 较低辐射区域的梯形塑料闪烁体的特性。

硅传感器将分为面积为0.5 cm的单个六边形“像素”2 或1.0 cm2,在最具挑战性的区域中使用更细的粒度。相反,闪烁的瓷砖将具有几厘米的横向尺寸。尽管比某些粒子检测器(例如跟踪带电粒子轨迹的“跟踪器”)要粗糙,但这种粒度对于量热仪而言是前所未有的。的确,HGCAL将成为高能物理学中制造的最细的量热仪。多亏了每一层,而且每一层都有很高的粒度,我们才能解开HL-LHC碰撞的复杂性。

整合,整合,整合

当然,这些有源元件需要先进的电子设备,例如我上面提到的六角形PCB,再加上400吨以上的铜,铅,钨铜合金和钢,才能生产粒子喷淋器。我们必须通过将液态二氧化碳向下送入铜管内的管道中,将检测器冷却至–30 C,这将消除每个端盖中每秒电子设备产生的100 kJ以上的热量。我们需要控制和读出功能。 HGCAL的体积仅需60µm3 在两个端盖之间平均分配,显然,整合所有组件也许是HGCAL团队面临的最大挑战。

尽管这是值得的,但HGCAL的50个图层中的每个图层都将生成有关粒子阵雨和相互作用(三个空间维度以及能量和时间)的详细5D图像。定时信息将特别有价值:每当HL-LHC中的质子束发生200次质子-质子碰撞时,碰撞之间的间隔将小于100皮秒。因此,准确地知道它们何时撞击HGCAL,将使我们能够将粒子从不同的碰撞中解开。例如,如果CMS在一个交叉中看到四个电子,那么它们可能是由四个单独的碰撞(本质上是背景噪声)产生的,或者仅是由一个(可能是由希格斯玻色子衰变引起的)产生的。

到目前为止,LHC不需要此定时信息,但是HL-LHC中的冲突将非常复杂,以至于我们需要尽一切可能从噪声中提取信号。我们还将需要新的软件工具,其中许多将基于模式识别和机器学习算法。有了新的硬件和软件,多年以来,CMS将能够对罕见现象进行进一步的精确测量,并发现HL-LHC可以触及的新现象。

大型强子对撞机:仍然强大

LHC aerial view

为CERN工作或访问CERN的物理学家的主要“工具”是有史以来最大,最强大的粒子加速器:大型强子对撞机(LHC)。它可以将近3000束质子(每个都有约100亿个质子)加速到接近圆周27?km的圆环中的光速。束沿顺时针和逆时针方向行进,然后在环的四个位置每25纳秒碰撞一次。

大型强子对撞机位于地下约100µm,碰撞点是安装在挖掘洞穴中的四个巨型粒子探测器的位置。除了年终停止和两次长时间关闭之外,过去十年来它几乎一直在运行。我们目前正处于第二次长时间关闭的中期,这将在2021年底完成,物理学家仍在分析三个四分之一像素(3×10的数据)16)大型强子对撞机自2010年以来发生的质子-质子碰撞。这些碰撞包括希格斯玻色子的迹象,这一发现导致彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒特赢得了 2013年诺贝尔物理学奖.

2012年宣布希格斯玻色子时,只发现了几十个玻色子,但此后又观察到了更多。这让我们探究了它的性质以及它如何适合粒子物理学的标准模型。还研究了许多其他基本物理过程,尽管没有看到标准模型以外的“新物理”迹象,但我们更清楚不应该在哪里寻找它们。尽管如此,探索粒子景观的其余区域变得越来越困难,这就是为什么我们需要更多碰撞的原因。

大型强子对撞机将继续运行到2024年年底,届时我们应该将迄今为止产生的碰撞次数增加一倍。但是为了帮助寻找新的物理学,正在计划提高LHC的“亮度”(每秒的碰撞次数)五倍。这种所谓的“高亮度LHC”将在2026/7年第三次长时间关闭后上线,升级后的机器将运行到接近2040年。

未来是光明的

回到我的餐桌上,大多数PCB看起来不错,但有一些瑕疵很小-对于这种原型,这是正常的。我将优质的电路板送去组装,然后在7月份回到欧洲核子研究组织(CERN)时,我和一些同事一起建立了可远程操作的定制测量系统(图3)。按照典型的CERN方式,我们混合了国籍(英国,法国,德国,巴基斯坦,葡萄牙和土耳其),学科(从物理学到电子工程)和年龄(从学生到经验丰富的工作人员)。

正在进行PCB上的功能和性能测试,但似乎工作正常。我们还将研究一种“完整的”六角形硅模块,该模块包括一个硅传感器和一个以前的六边形PCB胶粘剂,粘贴在钨铜合金底板上。铝线50 μ直径m的金属被超声焊接到PCB的金焊盘和硅的金属区域,并将它们连接在一起。来自硅的信号(由带电粒子穿过所产生的信号)通过导线传输到PCB,再传输到抗辐射的HGCROC芯片。由我们的同事设计 欧米茄集团 在巴黎,这些芯片将信号放大,数字化并将其传输到外界。

figure 3

如我们所期望的那样,测试模块性能的最佳方法之一就是将它们放入粒子束中,以尽可能接近LHC碰撞的条件。确实,在2018年,我们测试了100种这样的模块,这些模块来自CERN的μ子,正电子和介子束 超级质子同步加速器 (SPS),效果极佳。如果没有这样的光束(欧洲核子研究组织直到2021年下半年都不会使用),我们可以改用来自高能宇宙射线的信号,由HGCROC放大并由专用测试台进行测量。尽管这些宇宙射线的发生率很小(几乎每分钟每平方厘米的硅只留下一个信号),但它们一天24小时都在运行,因此我们可以获得统计数据来测量性能,例如信噪比。

硅传感器模块的广泛开发和测试只是HGCAL设计工作的一部分,而该工作将在我们于2022年全面投产之前进行。大规模组装将于2024年开始,而HGCAL将安装在CMS的CMS中。 2026/27。实际上,如果硅模块(及其闪烁体等效物)是HGCAL的“感觉器官”,则“循环”和“神经”系统(铜电缆和用于控制和读取传感器的光纤)将成为最佳选择。更具挑战性。

由CERN领导的财团正在开发完成所有这些工作所需的许多辅助电子设备,例如抗辐射的光收发器和高效的DC / DC转换器。它们不仅将用于HGCAL,而且还将用于CMS的其他部分以及其他HL-LHC实验。考虑到就组件的密度和复杂性而言,HGCAL的每个端盖就像250吨,30 m,将所有组件安装到位对于电子和机械工程师来说将是一个真正的难题。3 手机。

还需要考虑HGCAL的“作用”。这是定制设计的电子和软件系统,将控制检测器并处理其数据。与所有CMS检测器一样,大部分设备实际上位于HGCAL附近,但位于单独的地下洞穴中。它必须接近,因为如果发生了有趣的事情,系统必须在大约10微秒内非常快地做出决定。如果是这样,并且数据通过了进一步的测试,我们会将它们存储到磁盘中,以进行后续的全面分析;如果不是,数据将被永久丢弃。同样,许多电子设备都尽可能地基于通用平台,为了许多系统的利益,在许多小组之间共享设计资源。

在过去的几年中,我们在评估HGCAL的性能并证明其可行性方面取得了巨大进展。严格而定期的评审过程,由独立的裁判员进行,可确保一切顺利。从电子,机械到安全系统的所有细节的详尽里程碑使该项目如期进行,且预算不超出预算。尽管COVID-19,审查仍在继续,并已成功“通过”。

但是我们不能放松。在开始批量生产所有组件,将它们组装为子单元,从它们构建更大的模块(或“盒式磁带”),添加服务,然后将所有东西安装到全尺寸检测器之前,还有大量工作要做。在2026年左右将其安装到CMS中。然后,当然,这是必须委托HGCAL并运行10-15年的小问题。

最后的疆界

现在是2020年7月14日-法国巴士底日。我回到CERN,坐在主餐厅外的露台上。通常情况下,我们现在预计欧洲核子研究中心(CERN)大约有300名夏季学生,但是由于大流行,今年该计划已被取消,尽管有些人参加的人数很少。我本人是30年前的欧洲核子研究中心暑期学生,在英国伦敦帝国学院学习物理学后抵达日内瓦。这是一次令人难以置信的经历,过去和现在,那年的一些学生都在CMS中扮演重要角色。

卡尔·吉尔(Karl Gill)–大约与我同时从帝国大学(Imperial)来到欧洲核子研究中心(CERN),并且是我的本科生和博士学位学生–现在是HGCAL的项目经理。然后是意大利物理学家Luca Malgeri,他目前是CMS的发言人。对我来说,最重要的是我的妻子简·巴尼(Jane Barney)–一名物理学家,她帮助开发了如今在CMS中使用的ECAL晶体,作为其博士学位的一部分。当我们还是暑期学生时,我在这个露台上遇到了她,几年后我们结婚了。

拥有如此众多的人才,惊人的技术挑战和激动人心的新物理学即将来临,CERN的生活永远不会枯燥。在过去的一年中,流感大流行无疑是充满挑战的,但是我们已经通过改变和适应我们的工作方式克服了这些障碍。

HGCAL一直在推动技术和社会的发展,对我来说,建造探测器并看到它们在如此极端的条件下工作真是令人兴奋和高兴。

版权©IOP 出版 Ltd和个人贡献者的2021年