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. Wat is er gaande bij de LHCb-detector?
Silicon alley worden de cleanrooms op de begane grond van Nikhef in Amsterdam genoemd en dat is tegelijk een grapje en geen toeval. Hier werken wetenschappers en technici in blauwe stofvrije pakken met de delicate siliciumsensoren die in deeltjesdetectoren worden gebruikt. Momenteel is het er druk voor het Velopix-project, de chips die de nieuwe ogen van de LHCb-detector op CERN zullen vormen.
Velopix is onderdeel van VELO, de vertex localisator die het botsingspunt van protonen uit de LHC-versneller in LHCb zo nauwkeurig mogelijk moet vastleggen. Voorheen werden daarvoor strips silicium gebruik
t, die oplichten als er deeltjes doorheen vliegen. Nu worden dat pixels, als in een echte digitale camera. Ze worden zo dicht mogelijk bij de bundels geplaatst.
De chips zelf, zegt LHCb-groepsleider Marcel Merk, zijn intussen klaar en worden momenteel bij wijze van proef in een L-vorm op de printplaten gezet die binnenin LHCb van weerszijden dwars op de LHC-bundel komen en die zo omsluiten. ‘Het is veel werk en er zijn altijd wel problemen, in ons geval met de lijm die we gebruiken. Maar binnenkort moet de massaproductie echt gaan beginnen.’
De printplaatjes gaan vervolgens naar een testlab in Liverpool voor verdere montage, en na goedkeuring naar CERN, waar de elementen door ondermeer Nikhef-technici in de VELO worden ingebouwd.
Samen met nieuwe elektronica gaat de nieuwe VELO in de toekomst mogelijk maken dat 40 miljoen keer per seconde de detector helemaal wordt uitgelezen, geeft Merk de context van veel van de huidige werkzaamheden aan LHCb. ‘De versneller wordt op termijn intenser en we willen zelf efficiënter meten. Beide vraag snelle afhandeling van heel veel data. Bij ons is een factor tien meer het uitgangspunt.’
De komende maanden komt daarbij een belangrijke beslissing aan de orde. Om de datastromen behapbaar te houden moet ongeveer elke 25 nanoseconde beslist worden of een signaal in de detector het bewaren waard kan zijn of niet. High Level Triggers heten de systemen die dat moeten doen, op grond van patronen in de beelden uit de detector. Bovengronds zal daarvoor een zogeheten farm van duizenden processoren worden ingericht.
Vraag daarbij is nu of die met klassieke CPU’s worden toegerust, of met modernere grafische GPU-processoren. Bij Nikhef heeft GPU de voorkeur en is er veel werk verzet aan de software die in dat geval nodig zal zijn. ‘Maar ook als het CPU wordt, gaan we daar vol in mee’, zegt Merk ook.
Afgelopen december ging vanuit Amsterdam ook de zogeheten RF-box al naar CERN, een flinterdunne metalen omhulling die nauw en luchtdicht om de VELO sluit. Een aantal van deze boxen is op de grote robotfreesmachine bij Nikhef uit een massief blok aluminium gevormd voor het experiment in Genève. Inmiddels wordt de VELO al opgebouwd in het hart van de ondergrondse LHCb-detector in zijn put aan de oostkant van Genève.
Ook bovengronds is daar de nodige hectiek. In grote frames hangen in de entreehal van het LHCb-complex de drie meter lange zogenoemde SciFi-platen, deels op Nikhef gebouwd. Die zwarte platen bevatten pakketten scintillerende glasvezels, waarin een passerend deeltje een lichtflits veroorzaakt, die aan het uiteinde met sensoren kan worden gemeten.
De platen vervangen oudere en minder exacte technieken met gasgevulde buisjes. Uiteindelijk worden ze door de schacht naar beneden getakeld en in voorwaartse richting haaks op de bundelpijp door LHCb geplaatst.
Maar zover is het nog niet, vertelt Merk. De scintillatieplaten krijgen momenteel koelsystemen op de uiteinden, die bij min 40 graden gaan werken om geen ruis te geven. Vooral de aansluiting op de dubbelwandige koelleidingen blijkt een delicate zaak. In principe zijn de leidingen dubbelwandig geïsoleerd, maar kleine warmtelekken kunnen al ongewenste ijsvorming op oppervlakken geven.
VELO en SciFi zijn lang niet alle verbeteringen en aanpassingen die LHCb tijdens de huidige versnellerstop tot 2021 ondergaat. Volgens een ruwe schatting krijgt in de huidige upgrade negentiende van de detector verbeteringen. Allemaal bedoeld, zegt Merk, om nog meer data te verzamelen voor wat wel flavour fysica wordt genoemd, de natuurkunde van de drie deeltjesfamilies die we kennen. Om de subtiele verschillen tussen die families te vinden en begrijpen zijn zoveel mogelijk meetgegevens nodig. ‘Ons onderzoek is wat ze noemen statistisch gelimiteerd. Meer is hier echt beter.’
TEAM ELEKTRON
Nikhef is ook nauw betrokken bij het verbeteren van een relatief zwak punt in de analyses die LHCb maakt van deeltjesbotsingen: de reconstructie van elektron-banen. Wegvliegende elektronen zijn voor de detector lastig, omdat ze licht en geladen zijn. Daardoor geven ze onderweg veel straling af en verliezen ze snelheid. Tegelijk is de vergelijking van elektronen met muonen wel een wezenlijk onderwerp voor het begrijpen van de verschillen tussen de deeltjesfamilies in het standaardmodel. Heel wat speurtochten naar afwijkende fysica zijn daarop gebaseerd. Als de LHCb-detector in 2021 weer naar protonbotsingen kan kijken, zouden in principe de betere reconstructiemethodes made @nikhef beschikbaar moeten zijn voor elektronbanen.
Dit is de tweede aflevering van een korte serie wekelijkse berichten over de huidige Nikhef-werkzaamheden aan upgrade-projecten op CERN en elders. Volgende week: Herstart nadert voor XENON op Gran Sasso.
