伊丽莎白·金
加德纳，普渡大学 内容管理系统探测器
信用:欧洲核子研究中心/Maximilien Brice 为世界上最微小的粒子提供窗口的巨大探测器将耗资1.53亿美元进行升级，普渡大学的一组科学家将发挥关键作用——继续该大学几十年来在欧洲核研究组织(CERN)进行的历史性实验
在接下来的五年里，国际合作将把紧凑型μ子螺线管(CMS)探测器的灵敏度提高10倍，并使其能够承受相当于核反应堆核心的辐射水平，届时欧洲粒子物理研究所将增加大型强子对撞机(LHC)中质子束的强度。大型强子对撞机是世界上最大、最强大的粒子加速器
“探测器在下一阶段实验中将面临的辐射水平是一个真正的挑战
“我们必须找到能在这种暴露下存活10年而不会变成尘埃的材料，”马修·琼斯说，他是普渡大学物理学和天文学教授，也是康奈尔大学领导的国家科学基金会资助项目的首席研究员
“我们真的处于最前沿，这个项目带来的技术进步将影响到空间探索、计算机科学和光学等领域
但是我们的目标是理解构成我们世界的基本粒子的本质
" 从以接近光速的速度粉碎粒子，到希格斯粒子的发现以及随后诺贝尔奖的庆祝，普渡大学的研究人员一直与欧洲粒子物理研究所的国际同事们一起坚持不懈地追求这项科学
研究人员希望这个历史性的粒子物理实验的下一个阶段能够打开一扇大门，让人们更深入地了解基本的物理现象，比如暗物质和宇宙的起源
“我们正在努力寻找新的物理学并测试理论模型，”普渡大学物理学和天文学教授、该项目的联合首席研究员安德烈亚斯·荣格说
“当LHC在2027年增加质子束的强度时，它将创造一个数量级的更多记录在案的碰撞——甚至可能创造前所未见的新粒子
与此同时，升级后的探测器将使我们能够捕捉到更多这样的事件，并且分辨率比以往任何时候都高
" CMS探测器本质上是一个14000吨的超高分辨率相机，有四层办公楼那么大，几乎完全包围了LHC光束的一个碰撞点
目前，CMS探测器的核心配备了一个8000万个硅像素的高分辨率摄像头
每隔25纳秒，光束中质子碰撞产生的碎片就会穿过像素，像素中有基本粒子生命的痕迹，这些基本粒子只是在质子被打碎成其组成部分的瞬间产生的
CMS升级将缩小每个硅像素的尺寸，同时扩大检测器的覆盖范围，升级后的检测器中心将放置总共20亿个硅像素
就像我们手机上的相机一样，像素越多的传感器产生的图像越清晰，科学家们将能够比以往更详细地看到这些基本粒子的创造、贡献和间接影响
普渡是中国移动内部硅探测器新硅像素模块的主要组装中心，并将监督和协调其他机构的模块组装
在普渡物理大楼的一个洁净室设施中，机器人设备已经被编程和测试，以将形成像素模块的传感器和电路板组装在一起
所需的精度是放置在10微米以内，或大约人类头发直径的五分之一，以及每毫米10根电线的高密度电连接
“这是第三代内容管理系统检测器，我们从一开始就参与了硅像素模块的制造，”琼斯说
“除了精密机器人技术，我们还利用了过去10年来集成电路和计算技术的所有进步
例如，每个传感器将有更多的内存，所以图像可以存储在传感器中，直到我们准备好读取它
" 普渡还将设计和制造支持整个跟踪像素探测器的大型碳纤维结构
他们不仅会面临极端水平的辐射，定制设计的设备还必须非常轻便、坚固和导热
这些结构必须能够支撑其重量的50倍，以满足规范要求
荣格研究小组的博士生亚伯拉罕·马修·科西说:“我们设计的碳纤维结构必须轻便、坚固，并能迅速传导探测器产生的热量。”
“我们必须使不同的技术适应我们的需求，并开发新的测量技术
我们所做的不仅有利于粒子物理学，它还可以用于飞机或宇宙飞船工程，甚至改进我们每天使用的物品
“对我来说，从事物理工作的最大好处是它是一切的混合体
它提供了对世界的理解和科学解释的方法
" 欧洲粒子物理研究所的LHC提供了一个关键的能力来回答关于物质的基本成分和在最基本的层面上控制它们行为的基本力量的重要问题
从2010年3月第一次质子-质子碰撞开始，加速器的能量稳步增加，以扩大寻找新粒子的质量范围
荣格说:“据信，LHC前所未有的能量范围和灵敏度，加上内容管理系统实验的特殊能力，将导致我们对自然认识的突破。”
普渡大学物理学和天文学教授诺伯特·诺伊梅斯特是普渡大学合作管理系统实验的组长，也是能源部资助的合作管理系统研究的首席研究员，该研究致力于大量数据的分析
诺伊梅斯特说:“LHC每年产生大约15pb的数据，相当于每年300万张光盘，全世界成千上万的科学家可以访问和分析这些数据。”
“这个庞大的数据集使得合作研究中心能够探索广泛的粒子物理现象
" LHC号将在2021年重新开始运行并收集数据，同时该团队正在为下一阶段的实验升级探测器
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