Vous avez peut-être observé des passagers d'avion accompagnés d'animaux de compagnie ou même d'instruments de musique sur les vols. Mais avez-vous déjà été assis à côté d'un détecteur de particules ?

Depuis plus d'un an, une petite équipe du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie a travaillé à assembler, test, et transporter des pièces de détecteur pour une mise à niveau du réseau de détecteurs ALICE (A Large Ion Collider Experiment) au laboratoire du CERN en Europe.

Les panneaux de détection roulent en tant que « passagers »

La solution de l'équipe de Berkeley Lab pour s'assurer que chacun de ces éléments soigneusement assemblés, les pièces délicates passent intactes du point A au point B :traitez-les comme des compagnons de voyage.

ALICE, une expérience de physique nucléaire, est conçu pour faire entrer en collision des ions plomb de haute énergie entre eux et avec des protons afin d'explorer un état exotique de matière super chaude connu sous le nom de plasma quark-gluon qui aurait existé dans l'univers primitif.

Berkeley Lab est l'un des cinq sites dans le monde qui construisent des panneaux de détection (appelés « portées ») pour le projet de mise à niveau, ce qui améliorera les performances du système de suivi interne du détecteur ALICE, y compris sa résolution pour prendre des instantanés des collisions de particules, sa durabilité, et la vitesse de collecte des données.

Les chercheurs en physique nucléaire du Berkeley Lab se relaient pour transporter quatre longues portées de détecteur à la fois dans un conteneur transparent sur mesure équipé d'une bandoulière. Une fois chargé, le conteneur d'un mètre de long pèse environ 25 livres. Les portées sont empilées avec des séquences de puces en silicium et des circuits et composants d'alimentation associés.

Chaque portée dont l'équipe de Berkeley Lab est responsable comporte huit modules de capteurs, et chaque module est équipé de 14 capteurs, pour un total de 112 capteurs par portée.

Ce siège est pris

"Nous avons fini par leur acheter des sièges sur des vols commerciaux car il n'y a pas d'autre moyen fiable de les y amener, " a déclaré Léo Greiner, un scientifique de la division des sciences nucléaires du Berkeley Lab qui dirige l'équipe travaillant sur les composants de mise à niveau du détecteur ALICE.

L'équipe avait utilisé des modèles mécaniques des modules de détection pour voir comment ils tiendraient dans la soute d'un avion, et ils ne s'en sont pas bien sortis :les unités étaient visiblement endommagées, avec certaines parties qui se cassent.

"Il était assez clair que le transport ne pouvait pas se produire de la manière que nous avions initialement envisagée, ", a déclaré Greiner. Il a donc recherché la meilleure façon d'obtenir les portées à l'intérieur de la cabine - un environnement plus protégé. Les règles d'achat d'un siège pour les portées sont similaires à celles des instruments de musique coûteux que les musiciens veulent transporter à la main dans l'avion. , il a dit.

Le clair, La mallette de transport conçue par Berkeley Lab est conçue pour faciliter les inspections de sécurité dans les aéroports, et les balayages aux rayons X des aéroports ne sont pas un problème car les composants du détecteur sont conçus pour résister à un rayonnement beaucoup plus intense.

Une fois à bord de l'avion, les chercheurs demandent une rallonge de ceinture de sécurité pour boucler en toute sécurité la mallette de transport dans le siège adjacent. Leur itinéraire habituel est de voler vers Newark ou Washington, D.C., de la région de la baie de San Francisco, puis pour se connecter à un vol international vers Genève, La Suisse. L'aller-retour comprend généralement deux jours complets de voyage et deux jours au CERN pour vérifier les dommages éventuels aux composants.

Les membres de l'équipe du Berkeley Lab ont effectué environ 14 de ces voyages au cours de la dernière année, avec le dernier voyage prévu pour la mi-octobre.

La vulgarisation scientifique simplifiée

Les bagages à main inhabituels sont tout à fait un sujet de conversation, dit Greiner.

"C'est la sensibilisation la plus fantastique que j'aie jamais faite, " dit-il. " Tout le monde a des questions. "

Nikki Apadula, un scientifique du projet à la Division des sciences nucléaires et un membre de l'équipe ALICE qui a participé aux excursions des détecteurs, mentionné, "J'ai passé tout un voyage à Newark à utiliser le dossier du siège pour expliquer ce que font les particules dans le détecteur."

Apadula a déclaré que les grands conteneurs de voyage peuvent parfois être encombrants. "Le fait que ces choses fassent un mètre de long, c'est juste gênant. C'est presque aussi grand que moi."

D'autres membres de l'équipe de mise à niveau du détecteur ALICE du Berkeley Lab, y compris les assistants de recherche Erica Zhang et Winston DeGraw, qui ont tous deux commencé à travailler sur le projet en tant qu'étudiants de premier cycle, ont été les voyageurs les plus fréquents sur les voyages de détecteur.

Assemblage des bâtons

L'équipe du Berkeley Lab contribue 60 portées de détecteurs pour les couches intermédiaires du détecteur à canon extérieur amélioré d'ALICE, la plus grande contribution d'un laboratoire américain.

Le détecteur terminé aura sept couches concentriques qui en contiendront un total de 24, 000 capteurs au silicium pour détecter les interactions de particules. Son installation est prévue en mars 2020, et sera opérationnel début 2021.

L'assemblage du détecteur au Berkeley Lab a été réalisé dans un environnement de salle blanche à parois en plastique spécialement construit. Les chercheurs ont soigneusement mesuré et collé huit modules détecteurs sur chaque portée, avec une précision généralement mesurée en dizaines de microns, ou des dizaines de millionièmes de mètre.

Les douelles comportent des tubes qui permettent à l'eau froide de circuler sur toute leur longueur et d'éviter la surchauffe, et tous les matériaux, jusqu'à la colle qui fixe les modules du détecteur, doivent être testés pour s'assurer qu'ils peuvent résister à l'environnement du détecteur.

Chaque douelle dispose d'un support en fibre de carbone en forme de coin sur toute sa longueur, et des composants électriques en aluminium plutôt qu'en cuivre pour offrir une meilleure résolution de suivi pour capturer les interactions des particules tout en résistant au barrage de rayonnement produit lors des collisions de particules. Au début du projet, l'équipe du Berkeley Lab a utilisé de puissants faisceaux de particules chargées au cyclotron de 88 pouces du Berkeley Lab pour tester la durabilité des matériaux du détecteur, a noté Greiner.

Conception de détecteur de nouvelle génération

Les détecteurs de la mise à niveau sont basés sur une technologie de détecteur de pixels monolithique - une génération antérieure de ce type de détecteur a été utilisée pour le détecteur STAR (Solenoidal Tracker at RHIC) au Brookhaven National Laboratory's Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Berkeley Lab possède une expertise particulière dans ce type de détecteur, Greiner a noté, et contribué au début de la R&D.

Les détecteurs de mise à niveau ALICE sont conçus pour une durée de vie plus longue, peut traiter les signaux environ 10 fois plus rapidement que les détecteurs précédents, et ont une taille de pixel individuel d'environ 30 microns. La résolution améliorée permettra aux chercheurs de mieux différencier les particules produites lors des premières collisions de noyaux de plomb de celles qui se ramifient à partir des désintégrations de particules qui suivent ces interactions initiales.

"La technologie a vraiment mûri, " dit Greiner. " Ils peuvent prendre des données plus rapidement, ne meurs pas aussi vite, et dissiper moins de puissance."

D'autres sites d'assemblage des nouveaux détecteurs sont en Chine, Angleterre, La France, Italie, les Pays-Bas, et la Corée. La collaboration ALICE compte environ 1, 500 scientifiques de plus de 100 instituts de physique dans 30 pays. La participation de Berkeley Lab à ALICE est soutenue par l'Office of Nuclear Physics du DOE Office of Science des États-Unis.