Esta segunda parada larga de mantenimiento del LHC (Long Shutdown 2) está suponiendo una metamorfosis para el experimento LHCb del Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Tras dos periodos completos de toma de datos con éxito, el detector está siendo sometido a actualizaciones para mejorar la precisión de sus medidas. Después de esta parada habrá cinco veces más colisiones cada vez que los paquetes de protones se crucen en el detector, por lo que la colaboración de LHCb planea incrementar la tasa de lectura de datos de 1 megahercio (MHz) hasta la frecuencia máxima de interacción del LHC, 40 MHz, o cada 25 nanosegundos.

Además de reemplazar casi todos los sistemas electrónicos de adquisición para manejar el enorme incremento en la producción de datos, la colaboración LHCb está sustituyendo sus detectores de trazas por otros nuevos formados por fibras centelleadoras (scintillating-fibre o SciFi, en inglés). Es la primera vez que un detector de trazas de estas dimensiones, con una pequeña granularidad y alta resolución espacial, se ha construido utilizando esta tecnología. El subdetector SciFi se está colocando detrás del dipolo magnético de LHCb.

Las fibras centelleadoras son fibras ópticas con una base de poliestireno que emiten fotones en longitudes de onda del azul al verde cuando una partícula interactúa con ellas. Se han añadido otras tintas centelleadoras al poliestireno para amplificar la luz y llevarla a longitudes de onda mayores que pueden ser leídas por fotomultiplicadores de silicio (SiPM), que convierten la luz en señales eléctricas. Esta tecnología ha sido utilizada en otros experimentos de física de altas energías. Las fibras son ligeras y pueden producir y transmitir luz en la ventana de 25 nanosegundos, además de ser tolerantes a la radiación ionizante que se espera.

Cada una de las fibras centelleadoras que forman el detector tiene un diámetro de 0,25 milímetros y casi 2,5 metros de longitud. Están empequetadas en módulos que se sitúan en tres espacios del experimento, cada uno formado por cuatro ‘planos de detección’ con los fotomultiplicadores colocados arriba y abajo de cada plano. “Las fibras han sido examinadas exhaustivamente, enrolladas en cintas multicapa, montadas en módulos detectores y probadas a fondo”, explica Blake Leverington, que coordina parte del proyecto SciFi. “Las fibras proporcionan una precisión a un solo impacto superior a 100 micras con una eficiencia en el área del detector superior al 99%”. En total, más de 10.000 kilómetros de fibras centelleantes hechas con precisión ‘decorarán’ el detector LHCb.

A diferencia de otros experimentos del LHC, LHCb tiene un diseño asimétrico y estudia partículas que ‘vuelan’ muy cerca del tubo del haz tras producirse en las colisiones entre protones. Sin embargo, operar un detector sensible tan cerca del tubo del haz acarrea sus propios problemas. Las simulaciones muestran que el daño de la radiación procedente de las colisiones ‘oscurecería’ las fibras más cercanas al tubo un 40% a lo largo de la vida útil de LHCb. Esto complicaría transmitir la luz producida a través de las fibras, pero se espera que el detector mantenga su eficiencia a pesar de esto.

Los fotomultiplicadores localizados arriba y abajo de cada plano de detección de SciFi serán bombardeados con neutrones producidos en los calorímetros ubicados debajo. El daño por radiación resulta en el llamado ‘ruido oscuro’, cuando electrones excitados mediante calor hacen que los fotomultiplicadores de silicio (SiPMs) produzcan una señal que se confunde con la que procede de los fotones individuales. Además de una protección colocada entre el SciFi y los calorímetros, se ha instalado un complejo sistema refrigerador para enfriar los SiPMs. “Las medidas muestran que la tasa de ruido oscuro puede reducirse en un factor dos por cada descenso de 10 °C en la temperatura”, señala Leverington. Los SiPMs se colocan en en barras frías especiales de titanio impresas en 3D que se enfrían hasta −40 °C.

“El proyecto tiene contribuciones de más de un centenar de científicos, estudiantes, ingenieros y técnicos de 17 institutos colaboradores en 10 países”, resume Leverington. “Hemos trabajado juntos durante 7 años para dar vida a SciFi”. Actualmente, los módulos de SciFi, servicios y electrónica están siendo montados e instalados en 12 marcos mecánicos en el hall de ensamblaje de LHCb ubicado en el Punto 8 del anillo del LHC. Los primeros componentes de SciFi se comenzarán a instalar en primavera del año próximo.

El Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV) contribuye al diseño, caracterización, producción e instalación de la electrónica de lectura de datos de SciFi. Además, contribuye al desarrollo de los algoritmos de reconstrucción, trigger y arquitecturas de adquisición de datos adaptados al nuevo detector y el reto de datos asociado al que se enfrenta a partir de su puesta en marcha en 2021.

Más información:

https://home.cern/news/news/experiments/ls2-report-lhcb-looks-future-scifi-detector