Os enormes detectores que fornecem uma janela para as menores partículas do mundo estão configurados para um upgrade de US $ 153 milhões, e uma equipe de cientistas da Purdue University desempenhará um papel fundamental - dando continuidade ao legado de décadas da universidade com os experimentos históricos da Organização Europeia para Pesquisa Nuclear, ou CERN.

Nos próximos cinco anos, a colaboração internacional vai melhorar em dez vezes a sensibilidade do Compact Muon Solenóide, ou CMS, detector, e prepará-lo para suportar níveis de radiação equivalentes aos do núcleo de um reator nuclear quando o CERN aumenta a intensidade dos feixes de prótons no Large Hadron Collider (LHC) - o maior e mais poderoso acelerador de partículas do mundo.

“Os níveis de radiação que os detectores enfrentarão nesta próxima fase de experimentos representam um verdadeiro desafio. Temos que encontrar materiais que sobrevivam a essa exposição por 10 anos sem se transformar em pó, "disse Matthew Jones, o professor de física e astronomia Purdue que é o principal investigador do projeto financiado pela National Science Foundation liderado pela Cornell University. "Estamos realmente no limite, e os avanços tecnológicos deste projeto informarão os campos que abrangem a exploração espacial, ciência da computação e ótica. Mas nosso objetivo é entender a natureza das partículas fundamentais das quais nosso mundo é construído. "

Desde o esmagamento de partículas perto da velocidade da luz até a descoberta da partícula de Higgs e a celebração do Prêmio Nobel que se seguiu, Os pesquisadores do Purdue têm buscado persistentemente a ciência ao lado de seus colegas internacionais no CERN.

Os pesquisadores estão esperançosos de que esta próxima fase do experimento histórico da física de partículas abra a porta para uma compreensão mais profunda dos mistérios físicos fundamentais, como a matéria escura e as origens do universo.

"Estamos tentando encontrar uma nova física e testar os modelos teóricos, "disse Andreas Jung, Professor de física e astronomia da Purdue e co-investigador principal do projeto. “Quando o LHC aumenta a intensidade dos feixes de prótons em 2027, criará uma ordem de magnitude a mais de colisões registradas - talvez até criando novas partículas nunca antes vistas. Ao mesmo tempo, os detectores atualizados nos permitirão capturar mais desses eventos e com resolução muito melhor do que nunca. "

O detector CMS é, em essência, a 14, Câmera de resolução extremamente alta de 000 toneladas do tamanho de um prédio de escritórios de quatro andares que cerca quase completamente um ponto de colisão dos feixes do LHC. Atualmente, o coração do detector CMS é equipado com uma câmera de alta resolução de 80 milhões de pixels de silício individuais. A cada 25 nanossegundos, detritos das colisões de prótons nos feixes passam pelos pixels, e dentro dele há vestígios da vida de partículas elementares criadas apenas por um instante, à medida que os prótons são despedaçados em seus pedaços constituintes.

A atualização do CMS reduzirá o tamanho de cada pixel de silício e, ao mesmo tempo, estenderá a cobertura do detector, com um total de 2 bilhões de pixels de silício a serem colocados no centro do detector atualizado. Assim como as câmeras de nossos telefones, um sensor com mais pixels produz imagens mais nítidas, e os cientistas serão capazes de ver a criação, contribuições e efeitos indiretos dessas partículas fundamentais com mais detalhes do que nunca.

Purdue é o centro de montagem principal para os novos módulos de pixel de silício do detector de silício interno do CMS e supervisionará e coordenará a montagem do módulo em outras instituições.

Em uma instalação de sala limpa no Edifício Purdue Physics, o equipamento robótico foi programado e testado para reunir os sensores e as placas de circuito que formam os módulos de pixel. A precisão necessária é a colocação dentro de 10 mícrons, ou cerca de um quinto do diâmetro de um cabelo humano, e conexões elétricas de alta densidade com 10 fios por milímetro.

"Esta é a terceira geração do detector CMS, e estivemos envolvidos na fabricação de módulos de pixel de silício desde o início, "Disse Jones." Além da robótica de precisão, estamos aproveitando todos os avanços em circuito integrado e tecnologia de computação nos últimos 10 anos. Por exemplo, cada sensor terá muito mais memória, para que uma imagem possa ser armazenada no sensor até que estejamos prontos para lê-la. "

Purdue também projetará e fabricará as grandes estruturas de fibra de carbono que suportam todo o detector de pixel de rastreamento. Eles não apenas enfrentarão níveis extremos de radiação, o equipamento de design personalizado também deve ser extremamente leve, forte e termicamente condutivo. As estruturas devem ser capazes de suportar 50 vezes seu peso para atender às especificações.

“As estruturas de fibra de carbono que projetamos devem ser leves, forte e conduzindo rapidamente qualquer calor gerado para longe do detector, "disse Abraham Mathew Koshy, estudante de doutorado no grupo de pesquisa de Jung. "Temos que adaptar diferentes tecnologias às nossas necessidades e desenvolver novas técnicas de medição. O que fizermos não beneficiará apenas a física de partículas, pode ser usado na engenharia de aeronaves ou naves espaciais ou mesmo para melhorar os itens que usamos todos os dias.

"Para mim, a melhor parte de trabalhar com física é que é uma mistura de tudo. Oferece uma compreensão do mundo e uma maneira de explicá-lo cientificamente. "

O LHC no CERN fornece uma capacidade crucial para responder a questões importantes sobre os constituintes elementares da matéria e as forças fundamentais que controlam seu comportamento no nível mais básico. A partir de março de 2010, quando ocorreram as primeiras colisões próton-próton, a energia do acelerador foi aumentando gradativamente para ampliar o alcance da massa na busca por novas partículas. Acredita-se que a faixa de energia e sensibilidade sem precedentes do LHC combinadas com as capacidades especiais do experimento CMS levarão a um avanço em nossa compreensão da natureza, Jung disse.

Norbert Neumeister, Professor de física e astronomia Purdue, é o líder do grupo do experimento CMS em Purdue e o principal investigador da pesquisa CMS financiada pelo Departamento de Energia com foco na análise de grandes quantidades de dados.

"O LHC produz cerca de 15 petabytes de dados anualmente, ou o equivalente a cerca de 3 milhões de DVDs por ano, que milhares de cientistas em todo o mundo acessam e analisam, "Neumeister disse." Este enorme conjunto de dados permitiu que a colaboração do CMS explorasse uma ampla gama de fenômenos da física de partículas. "

O LHC reiniciará sua operação e coletará dados em 2021, ao mesmo tempo, a equipe trabalha nas atualizações do detector para a próxima fase do experimento.