De komende jaren wordt de LHC-versneller op CERN omgebouwd naar een tienmaal fellere deeltjesfabriek. Nikhef werkt aan upgrades van detectoren voor het high luminosity-tijdperk. Deel 3 van een zomerserie over het werk aan de HiLumi LHC.
In een van de assemblagehallen in de werkplaats van Nikhef, afdeling Mechanische Technologie, staat een prototype van de belangrijkste Nederlandse projecten rond de high luminosity LHC-versneller op CERN.
Een cilindervormig frame van anderhalve meter hoog en twee meter diameter, bestaande uit zes wielvormige schijven rond een centrale buis. Honderden clips en klampjes houden dunne metalen leidingen van een koelsysteem op zijn plaats. Het geheel oogt imposant, maar weegt dankzij het koolstofvezel waaruit het bestaat nog geen tien kilo.
Dit prototype is geen versnelleronderdeel van de vernieuwde HiLumi LHC-versneller die in 2030 in bedrijf moet komen. Nikhef is van oudsher gericht op de experimenten bij de versneller. Als die versneller verandert, moeten de detectoren daarop worden toegesneden.
Het project in de hal is van de ATLAS-detector: de inner tracker of kortweg ITk. Om precies te zijn betreft het de endcap, het einddeel, van de binnenste detectorlaag van de ATLAS-detector. Een piepklein onderdeel van het grootste wetenschappelijke instrument op aarde, dat zo groot is als het Koninklijk Paleis op de Dam.
ATLAS ondergaat in de jaren dat op CERN aan de verbeterde versneller wordt gewerkt ook een enorme facelift. De detector wordt op tal van manieren voorbereid op de verveelvouding van de protonenbotsingen in de versneller.
Een van de projecten is een volledig nieuwe inner detector van zes meter lang met nog fijnmaziger silicium pixelsensoren die de paden van vrijkomende deeltjes vlakbij de bundel nauwkeuriger en ook sneller registreren. Dat is nodig om de naar schatting 5 miljard botsingen per seconde te kunnen bijbenen.
Nikhef ontwerpt en bouwt voor de inner tracker de endcap-constructie aan beide uiteinden, die uiteindelijk honderden sensorpanelen precies op hun plek gaan houden. Die elektronische panelen worden door andere instituten in de wereld gebouwd. Op Nikhef vindt de assemblage en het testen van een van de twee ITk-endcaps plaats.
Het prototype in de assemblagehal is de afgelopen jaren gebouwd voor het testen en optimaliseren van de constructie. Uiteindelijk zijn er twee endcaps gebouwd. Een ervan wordt in Amsterdam verder opgetuigd en uiteindelijk volgebouwd met sensorpanelen. De andere is inmiddels bij DESY in Hamburg, dat deze endcap gaat assembleren.
Voor het werk is een cleanroom in de werkplaats in Amsterdam ingericht, klaar voor de komst van de sensorpanelen die als bloembladen aan de constructie zullen worden gestoken en daarom petals worden genoemd. Uiteindelijk gaan de voltooide endcaps naar CERN voor verdere tests en integratie met de rest van de inner tracker, diep in het hart van de ondergrondse ATLAS-detector.
Vooral door nieuwe sensortechnieken en een nieuw koelsysteem zijn de ITk endcaps een voorbereiding op het HiLumi LHC-tijdperk. Door de enorme deeltjesstromen en snelle verwerking op chips op de sensorpanelen is koeling ter plaatse cruciaal. Nikhef ontwierp, testte en construeerde een speciaal koelsysteem met CO2 voor de ITk. Randvoorwaarde aan dat element is dat de detector jaren mee moet kunnen onder intense en soms extreme omstandigheden, zowel door hitte als door straling vlakbij de protonenbundels.
Een kleiner ATLAS-project in de aanloop naar de HiLumi LHC is gericht op verbeteringen aan de muonkamers van de detector. Muonen zijn zwaardere versies van elektronen, die in groten getale ontstaan bij protonbotsingen in de CERN-versneller. Door hun massa bewegen ze relatief ver door de detector, reden dat de muonkamers om hun banen te registreren als een schil aan de buitenkant van ATLAS liggen.
Muonkamers zijn gasgevulde detectoren, waarin de geladen muonen ionisaties veroorzaken, waardoor een elektrisch signaal ontstaat tussen een centrale draad onder hoogspanning en de buiswand. Nikhef bouwde ooit een deel van de muondetecoren aan de buitenkant van ATLAS.
Bij de huidige upgrade moeten daarvan alle circa duizend elektronische control-systemen voor hoogspanning, temperatuur en magneetvelden worden vervangen, na zoveel jaren in de straling van de detector.
Dieper in de ATLAS-detector bevindt zich ook nog een schil van ongeveer honderd muonkamers, die allemaal vervangen gaan worden door muonkamers met dunnere gasbuizen. Die geven betere positiebepaling van muonen, en bovendien ontstaat hierdoor ruimte voor een extra laag detectoren die helpen bij de selectie van waardevolle botsingen in de supervolle HuLumi LHC, de zogeheten trigger.
Die zogenoemde MDT-kamers zijn gebouwd in München en Michigan, maar zullen door ploegen van Nikhef studenten en technici worden geïnstalleerd, vaak op fysiek uitdagende plekken binnenin de enorme ATLAS-structuren.
Ook voor de andere twee Nikhef-experimenten op CERN, zoals ALICE en LHCb betekent de komst van de hoge luminositeit een wezenlijke verandering. Deze twee experimenten zijn in feite al in de vorige long shutdown voorbereid op de hogere intensiteiten van HiLumi LHC, met nieuwe onderdelen en systemen.
De belangrijkste aanpassing op de komende deeltjesvloed bij LHCb was de overstap naar een datasysteem op basis van grafische processoren. Zulke processoren zijn ontwikkeld voor de gamewereld, maar blijken in deeltjestoepassingen zeer geschikt om met veel data tegelijk om te gaan. Nikhef leverde een aanzienlijk deel van de kennis bij de overstap naar GPU’s in LHCb. In principe kan LHCb nu alle meetgegevens uit de miljoenen sensoren in de detector live beoordelen en wegschrijven voor nadere studie off-line.
Ook het ALICE-experiment is in een eerdere fase al voorbereid op de komst van grotere deeltjesstromen. ALICE is speciaal ontwikkeld voor het bestuderen van botsende zware ionen als lood, om het quarkgluonplasma te bestuderen dat in het allervroegste heelal vlak na de oerknal moet hebben bestaan.
In de massieve ondergrondse ALICE-detector is het inner tracker system ITS, de binnenste detectorlaag vlakbij de bundel, volledig uitgevoerd in snelle siliciumsensoren met ingebouwde elektronica in een speciaal ontwikkelde ultra lichte draagconstructie.
Momenteel wordt die ITS2 nogmaals gemoderniseerd met grote stripvormige gebogen siliciumsensoren in de binnenste laag, met bijdragen van Nikhef en de Universiteit Utrecht. Zulke sensoren leveren een naadlozer beeld van de plasmas van quarks en gluonen die bij botsende atoomkernen ontstaan, ook bij hogere intensiteit die de HiLumi LHC gaat leveren.
De intense bundels in de verbeterde versneller geven meer botsingen die in de detectoren veel meer signalen afgeven. Over die tsunami van signalen meer in aflevering 4 van deze reeks.
Volgende aflevering: Voorbereiding op een zondvloed van signalen.
