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物理学家为大型强子对撞机的 CMS 实验安装新金刚石传感器

2021-08-10 16:10     来源:Science X     LHC


CMS 检测器的内部部分。图片来源:托木斯克理工大学

紧凑型μ子电磁阀(CMS)是大型强子对撞机(LHC)的大型通用粒子探测器之一,背景辐射监测系统和碰撞光束参数已更改。光束状态监测器泄漏 (BCML) 系统是保护 CMS 独立单元和单元电子设备免受关键辐射损坏所需的系统中最重要的部分之一。对于 BCML 系统,托木斯克理工大学的科学家们安装了八个新的金刚石传感器,这是它的主要部分。计划新传感器将运行三到五年,直到下一次探测器更新。BCML 系统的无缝运行将使科学家们能够在基本层面获得关于物质结构的新数据。

如今,LHC 是世界上最大、最强大的带电粒子加速器。强子束是一类粒子,包括质子,它们会加速和碰撞。在大型强子对撞机上,来自世界各地的科学家研究此类碰撞会发生什么。

光束碰撞点周围设置了大型探测器。CMS 是四个主要检测器之一。CMS 直径 16 m,长 25 m。它是一个大型通用粒子物理探测器,旨在研究和验证基本粒子标准模型的预测,包括希格斯玻色子的特性,以及搜索标准模型之外的物理、附加测量和暗物质。

托木斯克理工大学(TPU)高能物理研究学院的科学家和工程师与来自欧洲核子研究组织(CERN)、德国电子同步加速器中心(DESY)、普林斯顿大学(美国)、坎特伯雷大学(新西兰)的同事一起) 和其他组织参与了 CMS 光束辐射仪器和亮度 (BRIL) 项目。TPU 科学家负责开发、更新和维护用于慢速监测质子碰撞和重核以及紧急束流损失的系统。

这个 BCML 系统允许科学家改变来自质子碰撞的背景辐射,分析与单个粒子的随机偏差相关的短时间内背景辐射的变化,并记录长期变化。这些变化可能与光束运动的偏差或例如光束传输通道中的真空损失有关。在严重偏差的情况下,光束必须停止,即强制丢失。否则,长期暴露在以巨大能量运动的光束下会导致探测器和对撞机复杂且昂贵的系统发生不可逆转的损坏。每个紧急情况或错误的光束丢失都是必须调查的真实事件。

TPU 科学家使用的 BCML 系统是复杂且多组件的。该系统最重要的部分是位于检测器中心靠近质子碰撞点的一组金刚石传感器。金刚石是抗辐射能力最强的材料,但即使是这种材料,也会因为超高的辐射剂量而逐渐失去性能,不得不进行更换。

金刚石传感器是最高质量的合成金刚石板,上面镀有铬和金的金属触点。板状晶体被焊接到特殊的板上,这些板也由金沉积。在传感器工作期间,会对其施加超过 500 V 的电压。当一个粒子飞过传感器时,它会获得一个可以测量的电流。如果电流强度在某个时间间隔内超过设置的阈值,则系统会发出有关光束损失的信号。


检查 BCML 系统的高压线,Vitaly Okhotnikov。图片来源:托木斯克理工大学

“慢速监测系统中的传感器上一次更换是在 2015 年。我们刚刚更换了 8 个传感器,这些传感器将在未来五年左右使用。安装准备,包括系统的全面检查和新系统的校准传感器,需要在现场进行数月的紧张工作。系统在竖井中的安装持续了两天两夜。

由于这些新传感器,我们来自其他 CMS 研究小组的同事将能够为下一个对撞机的运行收集新的数据量,”TPU 高能物理研究所研究员 Alexey Shevelev 说。

据专家介绍,在研究团队的任务中,正在寻找新材料,这将能够降低传感器的成本并延长其使用寿命。

“实际上,欧洲核子研究中心正在准备将LHC项目过渡到高亮度LHC(HL-LHC)项目。为了实施它,加速器的所有系统都被重新排序。根据计算,碰撞次数会增加几十倍,辐射场会增加,因此金刚石传感器会更快地失去其特性,并且必须更频繁地更换它们。因此,我们正在积极寻找如何降低系统维护成本的方法以及可以使用什么金刚石秋天,在我们探测器的实验部分,我们计划安装比目前使用的便宜几倍的俄罗斯制造的钻石样品,并安装便宜几倍的蓝宝石晶体。我们将研究它们的抗辐射性和降解率,”TPU 高能物理研究所初级研究员 Vitaly Okhotnikov 补充道。

参考:

TPU 科学家参与了欧洲核研究组织 (CERN) 的一些合作和部门的工作。因此,在 CMS 实验合作中,大学科学家在 BRIL 项目中对粒子束特性的测量进行了研究。在大型强子对撞机美 (LHCb) 实验的合作下,他们致力于科幻探测器的更新,对美丽和迷人的介子衰变进行分析,寻找奇异粒子。在 NA64 实验的合作下,进行了寻找暗物质的实验。在用于结构和光谱的普通介子和质子装置 (COMPASS) 实验中,对强子结构进行了研究。

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