Às vezes, grandes questões requerem grandes ferramentas. É por isso que uma comunidade global de cientistas projetou e construiu detectores gigantes para monitorar as colisões de partículas de alta energia geradas pelo Grande Colisor de Hádrons do CERN em Genebra, Suíça. A partir dessas colisões, os cientistas podem refazer os passos do Big Bang e pesquisar novas propriedades da natureza.

O experimento CMS é um desses detectores. Em 2012, co-descobriu o indescritível bóson de Higgs com seu experimento irmão, ATLAS. Agora, Os cientistas do CMS querem ir além das leis conhecidas da física e buscar novos fenômenos que possam ajudar a responder a questões fundamentais sobre o nosso universo. Mas para fazer isso, o detector CMS precisava de uma atualização.

"Assim como qualquer outro dispositivo eletrônico, com o tempo, partes do nosso detector se desgastam, "disse Steve Nahn, pesquisador do Fermilab do Departamento de Energia dos EUA e gerente de projeto dos EUA para atualizações do detector CMS. "Estamos planejando e projetando essa atualização logo depois que nosso experimento começou a coletar dados em 2010."

O detector CMS é construído como uma cebola gigante. Ele contém camadas de instrumentos que rastreiam a trajetória, energia e momento das partículas produzidas nas colisões do LHC. A grande maioria dos sensores no detector massivo são embalados em seu centro, dentro do que é chamado de detector de pixels. O detector de pixels CMS usa sensores como os de câmeras digitais, mas com uma velocidade de obturador extremamente rápida:em três dimensões, eles tiram 40 milhões de fotos a cada segundo.

Nos últimos anos, cientistas e engenheiros do Fermilab e de 21 universidades americanas montaram e testaram um novo detector de pixels para substituir o atual como parte da atualização do CMS, com financiamento fornecido pelo Departamento de Energia, Office of Science e National Science Foundation.

O detector de pixel consiste em três seções:a seção de cilindro mais interna e duas tampas de extremidade chamadas de detectores de pixel à frente. A estrutura em camadas e semelhante a uma lata oferece aos cientistas uma esfera quase completa de cobertura em torno do ponto de colisão. Como os detectores de três pixels se encaixam no tubo do feixe como três pulseiras volumosas, engenheiros projetaram cada componente como duas meias-luas, que travam juntos para formar um anel em torno do tubo da viga durante o processo de inserção.

Hora extra, os cientistas aumentaram a taxa de colisões de partículas no LHC. Só em 2016, o LHC produziu quase tantas colisões quanto nos três anos de sua primeira operação. Para ser capaz de diferenciar entre dezenas de colisões simultâneas, O CMS precisava de um detector de pixels totalmente novo.

A atualização inclui ainda mais sensores no coração do detector CMS. É como se o CMS tivesse passado de uma câmera de 66 megapixels para uma de 124 megapixels.

Cada um dos dois detectores de pixel para frente é um mosaico de 672 sensores de silício, eletrônicos robustos e feixes de cabos e fibras ópticas que alimentam eletricidade e instruções e transportam dados brutos para fora, de acordo com Marco Verzocchi, um pesquisador do Fermilab no experimento CMS.

O multiparte, O detector de pixels de 6,5 metros de comprimento é tão delicado quanto espaguete cru. Instalar os novos componentes em uma lacuna do tamanho de um bueiro exigia mais do que apenas sutileza. Exigiu meses de planejamento e extrema coordenação.

"Nós praticamos esta instalação em modelos de nosso detector muitas vezes, "disse Greg Derylo, engenheiro do Fermilab. "Quando chegamos à instalação real, sabíamos exatamente como precisávamos inserir esse novo componente no coração do CMS. "

A parte mais difícil foi manobrar os componentes delicados em torno das estruturas pré-existentes dentro do experimento CMS.

"No total, o detector de pixel de três partes completo consiste em seis segmentos separados, que se encaixam como um quebra-cabeça cilíndrico tridimensional em torno do tubo do feixe, "disse Stephanie Timpone, engenheiro do Fermilab. "Inserir as peças nas posições certas e na ordem certa sem tocar em nenhum dos suportes e proteções pré-existentes foi uma dança bem coreografada."

Para engenheiros como Timpone e Derylo, instalar o detector de pixels foi a última etapa de um processo de seis anos. Mas para os cientistas que trabalham no experimento CMS, Foi apenas o começo.

"Agora temos que fazer funcionar, "disse Stefanos Leontsinis, um pesquisador de pós-doutorado na Universidade do Colorado, Pedregulho. "Vamos passar as próximas semanas testando os componentes e nos preparando para a reinicialização do LHC."