O Grande Colisor de Hádrons do CERN está de volta à ação após um período de desligamento técnico programado de três anos. Os especialistas circularam o feixe no poderoso acelerador de partículas no final de abril, e a física do Run 3 começou no início de julho com a maior energia de colisão já alcançada.
Os experimentos do LHC esperam coletar petabytes de dados para entender melhor a natureza na menor escala. Milhares de colaboradores estão testando o Modelo Padrão da física de partículas e buscando novas físicas – coisas como supersimetria, matéria escura ou partículas desconhecidas.

Ao mesmo tempo, os pesquisadores continuam a se preparar para a próxima iteração do LHC.

No final desta década, os cientistas começarão a operar com um acelerador atualizado para o LHC de alta luminosidade, que colidirá mais prótons com mais luminosidade do que nunca. Com ele, os cientistas esperam ver pelo menos cinco a sete vezes mais colisões do que agora. Os pesquisadores estão construindo tecnologia para melhorar seus detectores para que possam lidar com o aumento da luminosidade. Os detectores estão funcionando até o final de 2030 e acumularão um fator de 20 dados a mais.

O experimento CMS, que co-descobriu o bóson de Higgs em 2012, juntamente com o experimento ATLAS, está atualizando vários sistemas. Centenas de pessoas de universidades e laboratórios de todo o mundo, incluindo instituições dos EUA financiadas pelo Departamento de Energia dos EUA e pela National Science Foundation, estão projetando, construindo e instalando os novos componentes do detector. Essas tecnologias visam aprimorar o experimento existente, que hoje está em operação há mais de uma década.

Especialistas estão fazendo atualizações em seis áreas principais:o sistema de rastreador, detector de tempo, sistema de disparo e aquisição de dados, calorímetro de endcap, calorímetro de barril e sistema de múons. Essas atualizações significam que os cientistas do CMS podem medir com precisão e reconstruir melhor como as partículas interagem no detector. Estudar seu comportamento pode levar a novos insights e potenciais descobertas sobre como nosso universo funciona.

O rastreador

O rastreador CMS traça o caminho de uma partícula através de um campo magnético. Possui dois componentes:um detector de pixel interno e um detector de tira externa, ambos serão completamente substituídos. O rastreador é a área mais interna a ser atualizada, mais próxima de onde os prótons do LHC colidem. Como o HL-LHC colidirá prótons mais rapidamente, os caminhos das partículas começarão a se acumular rapidamente.

"O novo detector de pixels tem uma granularidade mais fina", disse Anders Ryd, principal pesquisador das atualizações financiadas pela National Science Foundation e professor da Universidade de Cornell. "Precisamos de taxas mais altas e granularidade mais alta para que eles possam realmente detectar cada partícula. Caso contrário, você terá tantas partículas passando que verá apenas uma mancha."

Os colaboradores adicionarão oito discos na região frontal do rastreador interno, estendendo a cobertura do detector de pixels. Para lidar com os dados rápidos, a equipe montará e adicionará milhares de pequenos módulos ao rastreador externo. Eles serão equipados com sensores e chips de circuito integrado específicos para aplicações que podem começar a filtrar e reduzir os dados imediatamente, permitindo que o rastreador externo processe informações a uma taxa impressionante de 40 milhões de vezes por segundo.

Detetor de tempo

Os pesquisadores do CMS estão construindo uma camada totalmente nova fora do rastreador, chamada de detector de tempo de partículas ionizantes mínimas, ou MIP. O detector de tempo atenua o acúmulo, ou um emaranhado de caminhos de partículas, fornecendo aos pesquisadores informações sobre quando uma partícula entrou no detector. O uso de precisão sem precedentes na medição do tempo de chegada das partículas permitirá aos pesquisadores distinguir caminhos individuais e reconstruí-los em 4D.

"Estamos adicionando uma camada de detector que nos dará uma medição de tempo de precisão de partículas carregadas individuais de colisões do LHC ao longo de seu caminho", disse Patricia McBride, cientista do Fermi National Accelerator Laboratory do DOE que, eleito por 3.000 físicos no CMS internacional Colaboração para o papel, se tornará chefe da colaboração no início deste outono. "Isso nos dará informações sobre o tipo de partícula e de qual colisão primária ela veio. Seremos capazes de usar informações de espaço e tempo para identificar os rastros interessantes no evento."

O detector de temporização tem a forma de um barril com duas tampas de extremidade, e sua vedação hermética evitará a perda de energia e impedirá a entrada de poeira. A equipe de atualização está agora projetando e construindo módulos, eletrônicos e software para este detector de tempo.

Trigger e aquisição de dados

O gatilho CMS seleciona eventos de colisão potencialmente interessantes e captura dados relevantes, descartando eventos mais cientificamente benignos para manter a quantidade de dados gerenciável. Quando operacional, um dos novos acionadores receberá informações do rastreador externo atualizado. É importante ressaltar que o novo gatilho empregará inteligência artificial e aprendizado de máquina em sua aquisição de dados do grande volume de dados esperados das colisões do LHC.

"Precisamos introduzir alguma inteligência na seleção de eventos desde o início", disse Vaia Papadimitriou, vice-gerente do projeto de atualização e cientista do Fermilab, o laboratório anfitrião da colaboração US-CMS. "Isso nos permite reduzir a quantidade de dados que precisamos processar e nos ajuda a eliminar os sinais de fundo que atrapalhariam o que estamos realmente tentando estudar".

Atualizações no sistema de aquisição de dados permitirão que a equipe colete dados mais rapidamente para acompanhar o aumento das taxas de colisão do LHC.

Calorímetros

O CMS está equipado com calorímetros de barril e endcap, detectores que medem as energias das partículas.

O calorímetro endcap flanqueia os detectores internos e analisa os chuveiros de partículas das colisões. O calorímetro endcap atual será completamente substituído por um novo calorímetro de alta granularidade, ou HGCal, o primeiro de seu tipo a ser usado em um experimento de colisor.

O detector terá excelente resolução de tempo e resolução espacial incrivelmente fina, que permite a reconstrução precisa das muitas partículas produzidas. Para construí-lo, os colaboradores vão montar dezenas de milhares de módulos com pequenos sensores de silício ou cintiladores. Os módulos formarão centenas de cassetes, que incorporam os circuitos integrados e eletrônicos que podem manipular os dados diretamente no detector e transmiti-los ao sistema de aquisição de dados.

A equipe também está atualizando parte do calorímetro eletromagnético do barril. "Vamos substituir o que chamamos de 'eletrônica de ponta', o sistema eletrônico instalado ali mesmo no detector", disse Paolo Rumerio, vice-coordenador de atualização e físico da Universidade do Alabama. para lidar com o aumento do fluxo de dados.

"Esses calorímetros fornecerão uma riqueza de informações que permitirão ao CMS reconstruir depósitos de energia, ou chuveiros, que vêm de diferentes partículas", disse Rumerio. "A energia e o tempo preciso de cada partícula podem ser medidos e usados ​​na análise de dados."

Múons

A coleta de informações sobre múons é essencial para o CMS, como seria de esperar de seu nome:o Compact Muon Solenoid. Os múons das colisões de partículas podem viajar bastante longe sem interagir, então essa camada do detector fica fora dos calorímetros.

O novo sistema de múons terá eletrônica atualizada, melhor resolução de tempo e uma maior capacidade de detectar múons saindo do feixe em uma ampla gama de ângulos. Várias novas placas eletrônicas irão lidar com o processamento e leitura de dados. Os colaboradores também estão aprimorando o firmware e o software usados ​​para controlar a eletrônica dessas placas.

"As atualizações suportadas pelo MREFC [Major Research Equipment and Facility Construction] para os detectores de múons avançados incluem novos componentes eletrônicos para suportar as taxas de dados mais altas no HL-LHC, bem como a leitura de novos detectores de multiplicadores de elétrons de gás que estenderão o detector de múons cobertura mais próxima da linha de luz", disse Ryd. "Essas atualizações fornecerão um aprimoramento significativo dos recursos de detecção de múons do CMS".

Avançando

Hoje, as atualizações para o detector CMS estão em diferentes estágios, mas todas seguirão um caminho semelhante. Após anos de desenvolvimento e prototipagem, a colaboração agora se move para construir ou adquirir as peças, começar a fabricar componentes do sistema em diferentes laboratórios dos EUA, examiná-los com testes rigorosos e depois entregá-los aos experimentos do CERN. Os cientistas instalarão os componentes de atualização durante o terceiro longo desligamento do LHC, atualmente programado para ocorrer de 2026 a 2028.

Assim que o HL-LHC for iniciado, o aumento do volume de dados ajudará os pesquisadores a procurar processos físicos raros e a investigar o bóson de Higgs. Os pesquisadores acreditam que o Higgs fornece o mecanismo pelo qual todas as outras partículas obtêm sua massa, mas os cientistas ainda têm muito a aprender sobre o universo estudando a partícula com maior precisão.

"O bóson de Higgs é uma partícula tão fundamental que descobri-lo não é bom o suficiente", disse Papadimitriou. "Precisamos ter muitas informações complementares para estudar todas as propriedades do bóson de Higgs. E como o bóson de Higgs é previsto pelo Modelo Padrão, se encontrarmos alguma propriedade diferente do que o Modelo Padrão prevê, é um grande avanço." + Explorar mais

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