Les énormes détecteurs offrant une fenêtre sur les plus petites particules du monde sont prêts pour une mise à niveau de 153 millions de dollars, et une équipe de scientifiques de l'Université Purdue jouera un rôle clé en poursuivant l'héritage de plusieurs décennies de l'université avec les expériences historiques de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire, ou CERN.

Au cours des cinq prochaines années, la collaboration internationale va décupler la sensibilité du Compact Muon Solenoid, ou CMS, détecteur, et le préparer à supporter des niveaux de rayonnement équivalents au cœur d'un réacteur nucléaire lorsque le CERN augmente l'intensité des faisceaux de protons dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC), le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules au monde.

"Les niveaux de rayonnement auxquels les détecteurs seront confrontés dans cette prochaine phase d'expérimentations représentent un véritable défi. Nous devons trouver des matériaux qui survivront à cette exposition pendant 10 ans sans se transformer en poussière, " a déclaré Matthew Jones, le professeur Purdue de physique et d'astronomie qui est un chercheur principal du projet financé par la National Science Foundation et dirigé par l'Université Cornell. "Nous sommes vraiment à la pointe de la technologie, et les avancées technologiques de ce projet éclaireront les domaines couvrant l'exploration spatiale, informatique et optique. Mais notre objectif est de comprendre la nature des particules fondamentales à partir desquelles notre monde est construit."

De l'écrasement de particules à une vitesse proche de la lumière à la découverte de la particule de Higgs et à la célébration du prix Nobel qui a suivi, Les chercheurs de Purdue ont constamment poursuivi la science aux côtés de leurs collègues internationaux du CERN.

Les chercheurs espèrent que cette prochaine phase de l'expérience historique de physique des particules ouvrira la porte à une compréhension plus approfondie des mystères physiques fondamentaux, comme la matière noire et les origines de l'univers.

"Nous essayons de trouver une nouvelle physique et de tester les modèles théoriques, " a déclaré Andreas Jung, Purdue professeur de physique et d'astronomie et co-chercheur principal sur le projet. "Quand le LHC augmentera l'intensité des faisceaux de protons en 2027, cela créera un ordre de grandeur en plus de collisions enregistrées, créant peut-être même de nouvelles particules jamais vues auparavant. À la fois, les détecteurs améliorés nous permettront de capturer plus de ces événements et avec une résolution bien meilleure que jamais. »

Le détecteur CMS est, en substance, un 14, Caméra à très haute résolution de 000 tonnes de la taille d'un immeuble de bureaux de quatre étages qui entoure presque entièrement un point de collision des faisceaux du LHC. Actuellement, le cœur du détecteur CMS est équipé d'une caméra haute résolution de 80 millions de pixels de silicium individuels. Toutes les 25 nanosecondes, les débris des collisions de protons dans les faisceaux traversent les pixels, et à l'intérieur se trouvent des traces de la vie de particules élémentaires créées seulement pour un instant lorsque les protons sont brisés en leurs morceaux constitutifs.

La mise à niveau CMS réduira la taille de chaque pixel de silicium et étendra en même temps la couverture du détecteur, avec un total de 2 milliards de pixels de silicium à placer au centre du détecteur amélioré. Tout comme les caméras de nos téléphones, un capteur avec plus de pixels produit des images plus nettes, et les scientifiques pourront voir la création, contributions et effets indirects de ces particules fondamentales plus en détail que jamais.

Purdue est le centre d'assemblage principal pour les nouveaux modules de pixels de silicium du détecteur de silicium interne du CMS et supervisera et coordonnera l'assemblage des modules dans d'autres institutions.

Dans une salle blanche du Purdue Physics Building, l'équipement robotique a été programmé et testé pour assembler les capteurs et les circuits imprimés qui forment les modules de pixels. La précision requise est le placement dans les 10 microns, soit environ un cinquième du diamètre d'un cheveu humain, et des connexions électriques à haute densité avec 10 fils par millimètre.

"C'est la troisième génération du détecteur CMS, et nous avons été impliqués dans la fabrication des modules de pixels de silicium depuis le début, " a déclaré Jones. " En plus de la robotique de précision, nous profitons de toutes les avancées des circuits intégrés et de la technologie informatique au cours des 10 dernières années. Par exemple, chaque capteur aura beaucoup plus de mémoire, ainsi une image peut être stockée dans le capteur jusqu'à ce que nous soyons prêts à la lire."

Purdue concevra et fabriquera également les grandes structures en fibre de carbone qui supportent l'ensemble du détecteur de pixels de suivi. Non seulement seront-ils confrontés à des niveaux extrêmes de rayonnement, l'équipement conçu sur mesure doit également être extrêmement léger, solide et thermiquement conducteur. Les structures doivent pouvoir supporter 50 fois leur poids afin de répondre au cahier des charges.

« Les structures en fibre de carbone que nous concevons doivent être légères, fort et conduire rapidement toute chaleur générée loin du détecteur, " a déclaré Abraham Mathew Koshy, doctorant dans le groupe de recherche de Jung. « Nous devons adapter différentes technologies à nos besoins et développer de nouvelles techniques de mesure. Ce que nous faisons ne profitera pas seulement à la physique des particules, il pourrait être utilisé dans l'ingénierie des avions ou des engins spatiaux ou même pour améliorer les éléments que nous utilisons tous les jours.

"Pour moi, la meilleure partie du travail en physique est que c'est un mélange de tout. Il offre une compréhension du monde et un moyen de l'expliquer scientifiquement."

Le LHC du CERN offre une capacité cruciale pour répondre à des questions importantes sur les constituants élémentaires de la matière et les forces fondamentales qui contrôlent leur comportement au niveau le plus élémentaire. A partir de mars 2010, date des premières collisions proton-proton, l'énergie de l'accélérateur a été régulièrement augmentée pour élargir la portée de masse dans la recherche de nouvelles particules. On pense que la gamme d'énergie et la sensibilité sans précédent du LHC combinées aux capacités spéciales de l'expérience CMS conduiront à une percée dans notre compréhension de la nature, dit Jung.

Norbert Neumeister, Professeur de physique et d'astronomie de Purdue, est le chef de groupe de l'expérience CMS à Purdue et chercheur principal de la recherche CMS financée par le ministère de l'Énergie et axée sur l'analyse des vastes quantités de données.

"Le LHC produit environ 15 pétaoctets de données par an, soit l'équivalent d'environ 3 millions de DVD par an, auxquels des milliers de scientifiques du monde entier accèdent et analysent, ", a déclaré Neumeister. "Cet ensemble de données massif a permis à la collaboration CMS d'explorer un large éventail de phénomènes de physique des particules."

Le LHC redémarrera son exploitation et collectera des données en 2021, en même temps, l'équipe travaille sur les mises à niveau des détecteurs pour la prochaine phase de l'expérience.