Как известно, Большой Адронный Коллайдер является самым большим и самым мощным на сегодняшний день ускорителем частиц, который должен помочь ученым глубже проникнуть в некоторые из тайн мироздания. А через не очень продолжительное время это грандиозное сооружение приобретет еще большие возможности благодаря серьезной модернизации оборудования одного из четырех основных экспериментов — Compact Muon Solenoid (CMS). Эта модернизация производится прямо сейчас и руководство Европейской организации ядерных исследований CERN сравнивает ее по сложности и деликатности со сложностью хирургической операции, проводимой на открытом сердце.
В ходе модернизации будет произведена замена нескольких внутренних слоев датчиков частиц эксперимента CMS. Все эти датчики, объединенные в единую систему, представляют собой так называемый пиксельный датчик, который служит для сбора разнообразной информации о частицах, рождающихся в результате сотен миллионов столкновений протонов в секунду, происходящих в точке пересечения лучей коллайдера.
Большой Адронный Коллайдер условно можно рассматривать, как две параллельные трубы, по которым в противоположных направлениях движутся потоки разогнанных почти до скорости света частиц, протонов. Эти трубы пересекаются в нескольких местах и вокруг этих мест установлены различные датчики, некоторые из которых, такие, как датчик эксперимента CMS, имеют поистине огромные размеры. Датчик CMS имеет длину в 20 метров и диаметр 15 метров, а располагается он на глубине 100 метров ниже уровня поверхности.
Пиксельный датчик эксперимента CMS представляет собой достаточно необычную камеру, с разрешением в 124 мегапикселя. Сенсор этой камеры состоит из четырех наложенных друг на друга кремниевых слоев. Когда частицы, рожденные в результате столкновений протонов, проходят сквозь слои датчика, они последовательно генерируют сигналы определенной формы и амплитуды в каждом слое. Анализ собираемых данных позволяет определить направление полета каждой частицы и рассчитать ее основные параметры, что используется для ее дальнейшей идентификации.
Модернизированный датчик эксперимента CMS будет способен производить анализ 50-60 столкновений протонов от одного импульса коллайдера, для сравнения, возможностей старого 66-мегапиксельного датчика хватало на регистрацию 25-30 столкновений от одного импульса. Учитывая, что импульсы следуют через несколько наносекунд, новый датчик будет работать со скоростью порядка 40 миллионов снимков в секунду. Весь громадный объем собираемой информации будет обрабатываться, очищаться от помех, шумов и прочего «мусора», а оставшиеся чистые данные будут использоваться физиками для поиска новых частиц, обнаружения новых явлений и сравнения экспериментальных данных и данных, полученных при помощи теоретических расчетов.
При изготовлении новых чувствительных элементов датчика эксперимента CMS ученым пришлось найти решение ряда не очень и очень сложных проблем, связанных с необходимостью работы датчиков в условиях воздействия сильных потоков заряженных частиц. Более того, сейчас специалисты CERN включись в «гонку со временем», ведь до момента запуска Большого Адронного Коллайдера, который будет произведен первого мая этого года, осталось не так уж и много времени. А модернизированный пиксельный датчик должен до этого времени пройти программу обширного тестирования и калибровки.
