O cientista coloca cuidadosamente os sensores na estação de teste e os testa aplicando uma alta tensão com uma agulha. A equipe deve usar equipamento de proteção para manter o sensor protegido contra poeira e arranhões. Crédito:Ulysse Fichet / CERN
Em um especial, livre de poeira, laboratório limpo, abrangendo a fronteira franco-suíça, um grupo de físicos passa seu tempo sondando hexágonos de silício do tamanho de uma mão. Esses hexágonos têm uma fração de milímetro de espessura e são compostos por mais de uma centena de hexágonos menores, sensores individuais, cada um com cerca de um centímetro de diâmetro. Junto com camadas de metal, os sensores formarão um novo subdetetor para substituir parte dos calorímetros de extremidade no experimento CMS do CERN.
Um calorímetro mede a energia que uma partícula perde ao passar. Geralmente é projetado para parar totalmente ou "absorver" a maioria das partículas provenientes de uma colisão. Os novos sensores do calorímetro serão usados para medir a energia e o tempo de chegada e para rastrear o caminho de partículas individuais que voam na forma de detritos do ponto de colisão no centro do experimento. Uma vez no lugar, esta será a primeira vez que este tipo de sensor de silício será usado no calorímetro de um detector de partículas em uma escala tão grande.
Os sensores são parte de um projeto de atualização mais amplo para garantir que os experimentos sejam capazes de lidar com um número maior de colisões de partículas como resultado da atualização do LHC de alta luminosidade (HL-LHC) em 2025, e o maior potencial de descoberta que vem com ele. A tecnologia atual é baseada em longos, cristais de chumbo-tungstato transparentes projetados para lidar com a radiação nos detectores Embora operem bem para a era do LHC, até 2025, a quantidade de radiação esperada durante o HL-LHC irá escurecer os cristais até que eles se tornem cegos para as partículas que passam por eles.
Eva Sicking trabalha na estação da sonda. Ela explica:“Atualmente, usamos agulhas de sonda individuais para entrar em contato com a célula que queremos testar e todos os seus vizinhos diretos, mas também estamos desenvolvendo um cartão de sonda com muitos pinos abaixo dele para que possamos abaixar o cartão e conectar todos os pinos e testar todas as células de sensores de uma vez, então não precisamos colocar cada uma das oito agulhas individualmente. ”. Crédito:Ulysse Fichet / CERN
"Os cristais de tungstato de chumbo que usamos agora são projetados para operar em taxas de colisão comparativamente baixas e em um ambiente de baixa radiação. Com o HL-LHC, teremos centenas de colisões ao mesmo tempo, então precisávamos de algo que pudesse suportar o aumento da radiação e resolver chuvas de partículas muito próximas umas das outras no espaço e no tempo, "explica Eva Sicking, o físico aplicado liderando este projeto de sensor de silício. "Queremos ser capazes de distinguir as diferentes partículas que vemos, e também saber quais vieram de quais colisões. "
"Esses sensores não apenas fornecem um sistema mais resistente à radiação; ao mesmo tempo, também fornecem mais informações sobre por onde exatamente as partículas passaram. Eles também nos fornecem informações de tempo muito boas, então podemos determinar exatamente quando esta partícula chegou, e graças às células pequenas, ele pode fazer isso por muitas colisões ao mesmo tempo, "continua Andreas Maier, que também está trabalhando no projeto.
Sanduíches de metal
Os sensores constituem a parte central do novo subdetector, que substituirá o limite final atual no CMS, retratado. Crédito:David Barney / CERN
Para garantir que os sensores sejam capazes de fazer isso, em vez de cristais longos, a equipe está se afastando de longos cristais e, em vez disso, construindo sanduíches - camadas do sensor alternando com camadas de um metal pesado, como chumbo.
Para testar cada sensor no sanduíche, a equipe está usando uma estação especial de sondagem, com oito agulhas acima de uma placa de vácuo. O prato contém o delicado, e caro, sensores de silicone firmemente no lugar para que as agulhas possam ser manobradas e abaixadas para se conectar com as placas de contato marcadas em cada sensor. Eles então aplicam uma alta tensão ao sensor para registrar os dados que serão usados para avaliar a qualidade do sensor.
Uma equipe de pesquisadores do CMS já testou o primeiro protótipo de calorímetro sanduíche com partículas individuais, mas no HL-LHC atualizado, várias colisões de partículas ocorrerão ao mesmo tempo e centenas de partículas de detritos passarão pelos sensores ao mesmo tempo. O protótipo é baseado em silício e metais densos - a imagem mostra as camadas alternadas de metal e o sensor de silício. O feixe de partículas irá correr da esquerda para a direita da imagem. Crédito:David Barney / CERN
Instrumentos sensíveis dizem à equipe qual é a corrente elétrica gerada no sensor, bem como uma medida chamada capacitância. Se qualquer um deles funcionar acima de um nível definido, o sensor não pode ser usado, pois criará ruído que interfere nos dados de qualquer trilha de partícula. Se o ruído for muito alto, os pesquisadores podem avaliar se há um problema ao nível da produção. Se um problema for encontrado, eles voltam aos fabricantes para ter certeza de que está tudo limpo antes que os sensores reais entrem em produção. Todos os sensores eventualmente usados passarão por este processo, tanto no CERN quanto em outros institutos.
Potência de otimização
A medição da corrente é particularmente importante porque pode ter um impacto sobre a quantidade de potência e energia necessária quando a máquina está funcionando.
"Em um mundo ideal, o sensor não mostraria nenhuma corrente de fuga, Mas na realidade, impurezas são introduzidas durante a produção desses sensores. Portanto, a corrente que medimos é um indicador da qualidade da produção, "Florian Pitters, outro membro do grupo, explica.
O software mostra a corrente que passa por cada sensor, e o bloco feito de vários sensores menores é mostrado no canto inferior direito. Crédito:Andreas Maier / CERN
A corrente de fuga é aceitável abaixo de um certo nível, mas é amplificado à medida que você adiciona mais sensores juntos e a fonte de alimentação e o sistema de resfriamento têm que lidar com uma quantidade maior de energia e calor dissipado.
Se houver algum problema nos sensores finais, isso poderia fazer com que todo o ladrilho ficasse curto, tornando-o inútil. Portanto, esses testes são vitais para garantir que todo o sistema do detector funcione da melhor forma e que esses componentes não criem barreiras para descobertas futuras.
"Houve erros com coisas que as pessoas simplesmente não podiam saber, até que os testamos. Descobrimos algumas vezes que os caminhos que pretendíamos seguir tinham que ser abandonados, então escolhemos um novo caminho. É assim que funciona a pesquisa, "diz Andreas.
