Tot de voorzomer van 2021 ligt de LHC-versneller op CERN stil voor reparaties en verbeteringen. De experimenten werken tegelijk koortsachtig aan hun eigen upgrades. Hoe staat het met de ATLAS-detector?
De laatste keer dat we de New Small Wheels (NSW) voor de ATLAS-detector zagen, waren de blauwe draagconstructies nog in aanbouw. In een van de bovengrondse constructiehallen op het CERN-terrein reikten hoogwerkers naar de enorme metalen schijven met stalen draagbalken, van waaruit technici kabels en verbindingen aanbrachten. Ze heten small, maar ze zijn reusachtig, deze nieuwe muondetectoren van twaalf meter diameter die later ondergronds net binnen de uiteinden van de kolossale ATLAS-detector moeten komen.
Dat was een jaar geleden. Intussen is NSW verder. Afgelopen winter, zegt ATLAS-fysicus dr. Tristan du Pree van Nikhef, zijn de eerste echte muonkamers op een van de NSW-schijven gemonteerd en aangesloten. Inmiddels is na tests de verdere montage in gang gezet van de taartpuntvormige muonkamers. Samen vormen die een voorwaartse detector waar geen muon ongezien doorheen kan.
De NSW-schijven aan de voor- en achterkant van ATLAS vervangen de bestaande small wheels muondetectoren. Als de LHC-versneller na 2027 tienmaal intensere protonenbundels gaat laten botsen, komen vooral in de voorwaartse richtingen veel meer muonen (zware versies van elektronen) vrij dan tot nog toe.
Deeltjesvloed
De NSW-detectoren zijn ontworpen om in die deeltjesvloed de interessante muonen op te merken. ATLAS was in 2012 met de concurrerende CMS-detector de ontdekker van het higgsdeeltje, dat sindsdien steeds preciezer in kaart wordt gebracht.
Kort voor de zomer van 2020 zal besloten worden of dat allemaal vlot genoeg gaat. In dat geval wordt ondergronds de bekabeling van de huidige small wheels in de detector doorgeknipt en is er geen weg meer terug. Inzet is nu dat in 2021 een van beide wielen kant en klaar naar de ondergrondse detector zal worden getakeld en aangesloten. De tweede moet wachten tot een volgende winterstop van de LHC-versneller, is inmiddels ook besloten.
Maar ook voor de eerste NSW is het nu alle hands on deck, zegt Du Pree. ‘We hebben als Nikhef net met de ATLAS-organisatie afgesproken dat twee van onze technici dit jaar op CERN gaan meewerken aan de opbouw.’
Speerpunt daarbij is onder meer ook de elektronica die de signalen in de detector verzamelen en wegleiden. Daarvoor ontwikkelde Nikhef het Felix-systeem, dat in de NSW voor het eerst gebruikt gaat worden. Felix is ontworpen om de massale hoeveelheden gegevens te verwerken die ontstaan als de LHC op termijn tienmaal intensere bundels protonen gaat laten botsen. Werkt Felix in de aanloop naar die HL-LHC-periode zoals verwacht, dan kan het bij een volgende shutdown (rond 2025) verder over ATLAS worden uitgerold.
Sensoren
Voor de New Small Wheels zelf is de inbreng van Nikhef niet heel groot, zegt Du Pree. Die is beperkt tot sensoren voor temperatuur en magneetvelden. Die leveren cruciale gegevens over de toestand van de meetapparatuur, nodig om de meetgegevens goed te kunnen interpreteren.
Veel werk aan ATLAS bij Nikhef is gericht op de periode na de volgende meetronde met de LHC. Het schema vermeldt nu dat huidige shutdown LS2 tot mei 2021 duurt, twee maanden langer dan eerder aangegeven. Daarna volgt een meetperiode tot eind 2024, die wel een jaar langer is dan in eerdere plannen. De fysici, op jacht naar zoveel mogelijk metingen, zijn nu al blij met die verlenging.
Daarna, in de long shutdown LS3, krijgt ATLAS een zeer ingrijpende opknapbeurt, terwijl CERN de HL-LHC-versneller in gereedheid brengt. Grote delen van de detector worden dan gesloopt en vervangen door nieuwe en veel preciezere systemen, die de intensere deeltjesstromen van de HL-LHC aankunnen. Nikhef werkt nu al intensief aan de voorbereidingen daarvoor. In de werkplaats in Amsterdam wordt de superlichte en toch sterke draagconstructie voorbereid voor de ITK inner tracker.
Uitlijnsystemen
Du Pree zelf coördineert voor die latere periode nu al de inbouw van een nieuw optisch uitlijnsystem voor een laag nieuwe muonkamers binnenin ATLAS, met nieuwe led’s, prisma’s, lensjes en camera’s. In december bouwde zijn team in München het eerste volledige uitlijnsysteem op, dat gebruikt zal gaan worden. Met daarin een slimmigheidje van Nikhef-engineer Harry van de Graaf om de krappe ruimte optimaal te benutten: kleine prisma’s waarmee het led-licht om een hoekje kan worden geregistreerd.
Volgens de huidige plannen volgt deze zomer de massaproductie van deze zogeheten BIS-muonkamers in Duitsland en de VS. Er worden er een kleine honderd van gebouwd. Die hebben een veel fijnmaziger stelsel van sensoren, zodat er tegen het jaar 2027 veel meer details van deeltjessporen mee te zien zullen zijn.
Dit is het eerste deel van een korte serie berichten over de huidige Nikhef-werkzaamheden aan upgrade-projecten op CERN en elders. Volgende week: Pixels, fibers en software voor de nieuwe LHCb.
