为更强大的粒子加速器做准备

CMS探测器在为期三年的停工期间完成了几次升级，为LHC的当前物理运行做准备。计划在下一次长时间关机期间安装的其他升级将为高亮度LHC的实验做好准备。图片来源：Samuel Joseph Hertzog，CERN

CERN的大型强子对撞机在三年预定的技术停工期后重新投入使用。专家们在4月底在强大的粒子加速器中散射光束，而Run 3物理学于7月初以有史以来最高的碰撞能量开始。

大型强子对撞机实验希望收集PB级的数据，以便在最小尺度上更好地了解自然。成千上万的合作者正在测试粒子物理学的标准模型，并寻找新的物理学——比如超对称性、暗物质或未被发现的粒子。

与此同时，研究人员继续为LHC的下一次迭代做准备。

本十年晚些时候，科学家们将开始为高光度LHC使用升级的加速器，这将以比以往更多的光度碰撞更多的质子。有了它，科学家们预计看到的碰撞次数至少是现在的五到七倍。研究人员正在构建技术来改进他们的探测器，以便他们能够处理增加的光度。探测器将运行到2030年底，并将累积20倍以上的数据。

CMS实验在2012年共同发现了希格斯玻色子，以及ATLAS实验，正在升级几个系统。来自世界各地大学和实验室的数百人，包括由美国能源部和国家科学基金会资助的美国机构，正在设计，建造和安装新的探测器组件。这些技术旨在改进现有的实验，截至今天，该实验已经运行了十多年。

专家们正在六个关键领域进行升级：跟踪器系统，定时检测器，触发和数据采集系统，端盖量热仪，桶形量热仪和μ介子系统。这些升级意味着CMS科学家可以精确测量并更好地重建粒子在探测器中的相互作用。研究它们的行为可能会带来关于我们宇宙如何运作的新见解和潜在的发现。

跟踪器

CMS跟踪器绘制粒子通过磁场的路径。它有两个组件：一个内部像素探测器和一个外部带状探测器，两者都将被完全取代。跟踪器是要升级的最内层区域，最接近LHC质子碰撞的地方。由于HL-LHC会更快地碰撞质子，因此粒子路径将迅速开始堆积。

“新的像素探测器具有更精细的粒度，”美国国家科学基金会资助的升级的首席研究员，康奈尔大学教授Anders Ryd说。“我们需要更高的速率和更高的粒度，以便他们能够实际检测到每个粒子。否则，你有这么多的粒子通过，你只看到一个涂抹。

合作者将在内部跟踪器的前向区域添加八个磁盘，从而扩大像素探测器的覆盖范围。为了处理快速数据，该团队将组装并向外部跟踪器添加数千个小模块。它们将配备传感器和专用集成电路芯片，可以立即开始过滤和减少数据，使外部跟踪器能够以每秒4000万次的惊人速度处理信息。

定时检测器

CMS研究人员正在跟踪器之外构建一个全新的层，称为最小电离粒子或MIP定时检测器。定时探测器通过向研究人员提供有关粒子何时进入探测器的信息来减轻堆积或混乱的粒子路径。使用前所未有的精度来测量粒子到达的时间将使研究人员能够区分单个路径并以4D形式重建它们。

“我们正在添加一个探测器层，它将为我们提供LHC碰撞中单个带电粒子的精确定时测量，”美国能源部费米国家加速器实验室的科学家Patricia McBride说，他由国际CMS合作的3000名物理学家选出，将成为今年秋天早些时候的合作负责人。“这将为我们提供关于它是什么类型的粒子以及它来自哪个主要碰撞的信息。我们将能够利用空间和时间信息来识别活动中有趣的轨迹。

定时探测器的形状像一个带有两个端盖的桶，其气密密封将防止能量损失并防止灰尘。升级团队现在正在为该定时检测器设计和制造模块、电子元件和软件。

触发和数据采集

CMS触发器选择可能有趣的碰撞事件并捕获相关数据，丢弃更科学的良性事件，以保持数据量的可管理性。操作时，其中一个新触发器将从升级的外部跟踪器中获取信息。重要的是，新的触发器将采用人工智能和机器学习来获取LHC碰撞所需的大量数据。

“我们需要尽早在活动选择中引入一些智能，”Vaia Papadimitriou说，他是升级项目的副经理，也是US-CMS合作的主办实验室Fermilab的科学家。“这使我们能够减少需要处理的数据量，并帮助我们消除阻碍我们实际尝试研究的背景信号。

数据采集系统的升级将使该团队能够更快地收集数据，以跟上LHC碰撞率的增加。

量热仪

CMS配备了桶形和端盖量热仪，用于测量颗粒能量的探测器。

端盖量热仪位于内部探测器的侧面，并分析碰撞产生的颗粒雨。目前的端盖量热仪将被一种新的高粒度量热仪（HGCal）完全取代，这是第一个用于对撞机实验的此类量热仪。

探测器将具有出色的时间分辨率和令人难以置信的精细空间分辨率，从而可以精确重建产生的许多粒子。为了构建它，合作者将用小型硅或闪烁体传感器组装数以万计的模块。这些模块将形成数百个盒式磁带，这些盒式磁带包含集成电路和电子设备，可以直接在探测器上处理数据并将其传输到数据采集系统。

该团队还在升级部分桶形电磁量热仪。“我们将取代我们所谓的'前端电子设备'，即安装在探测器上的电子系统，”阿拉巴马大学副升级协调员兼物理学家Paolo Rumerio说。新系统将能够处理增加的数据流。

“这些量热仪将提供丰富的信息，使CMS能够重建来自不同颗粒的能量沉积物或淋浴，”Rumerio说。“每个粒子的能量和精确时间都可以测量并用于数据分析。

μ介子

收集有关μ介子的信息对于CMS至关重要，正如人们对其名称所期望的那样：紧凑型μ介子螺线管。来自粒子碰撞的μ介子可以走得相当远而不会相互作用，因此探测器的这一层位于量热仪之外。

新的μ介子系统将具有升级的电子元件，更好的时间分辨率以及更高的检测以更宽角度从光束中脱落的μ介子的能力。几个新的电子板将处理数据处理和读出。合作者还在改进用于控制这些电路板上的电子设备的固件和软件。

“MREFC[主要研究设备和设施建设项目]支持的对前向μ介子探测器的升级包括新的电子设备，以支持HL-LHC的更高数据速率，以及新的气体电子倍增器探测器的读出，这将扩大μ子探测器的覆盖范围更接近光束线，”Ryd说。“这些升级将显着增强CMSμ介子检测能力。

前进

今天，CMS探测器的升级处于不同的阶段，但都将遵循类似的路径。经过多年的开发和原型设计，合作现在转向制造或购买零件，开始在不同的美国实验室制造系统组件，通过严格的测试对其进行审查，然后将其交付给CERN的实验。科学家将在LHC的第三次长期关闭期间安装升级组件，目前计划于2026年至2028年进行。

一旦HL-LHC启动，增加的数据量将帮助研究人员寻找罕见的物理过程并进一步研究希格斯玻色子。研究人员认为，希格斯粒子提供了所有其他粒子获得质量的机制，但科学家们仍然有很多关于宇宙的知识，通过更精确地研究粒子。

“希格斯玻色子是如此的基本粒子，发现它还不够好，”Papadimitriou说。“我们需要有很多补充信息，以便研究希格斯玻色子的所有性质。而且由于希格斯玻色子是由标准模型预测的，如果我们发现任何性质与标准模型预测的不同，那将是一个重大突破。