Als er vanaf 2030 vier keer meer botsingen per seconde in de deeltjesversneller LHC plaatsvinden, kunnen de detectoren waarmee die botsingen geregistreerd worden natuurlijk niet achterblijven. Bij ATLAS, het grootste LHC-experiment, wordt zelfs het binnenste deel van het experiment compleet vervangen. Het Nederlandse instituut voor subatomaire fysica Nikhef speelt daarbij een grote rol – en natuurkundige Marcel Vreeswijk leidt die inspanningen.

Heel veel data

Een deeltjesdetector heeft niet het eeuwige leven, ook niet als het aantal botsingen gelijk blijft. “Na verloop van tijd is zo’n detector gewoon op”, zegt Vreeswijk. “Het materiaal waar hij van gemaakt is, wordt door straling minder efficiënt of gaat zelfs kapot.” Sowieso zou ATLAS dus op een gegeven moment aan een flinke onderhoudsbeurt toe zijn.

De High-Luminosity-upgrade van de LHC (HL-LHC), waarbij er zo’n tweehonderd deeltjesbotsingen plaatsvinden als de bundels kruisen, verergert dat probleem flink. “Dan is er veel meer straling en gaat het materiaal alleen maar harder achteruit.”

Minstens zo belangrijk is de analyse van al die extra deeltjesbotsingen. “Die leveren heel veel data op, en het lukt niet die allemaal uit te lezen met de huidige elektronica”, zegt Vreeswijk. En die elektronica kun je niet zomaar vervangen, vervolgt hij: “Die is geïntegreerd met de sensoren.”

De ATLAS-detector krijgt daarom een heel nieuw hart: de binnenste cilinder, met een diameter van 2 meter, wordt volledig vervangen. Deze zogenoemde Inner Tracker is bovendien anders van samenstelling. Het huidige exemplaar bestaat uit twee siliciumdetectoren, omhuld door de Transition Radiation Tracker, waarin een gasmengsel is verwerkt dat door passerende deeltjes wordt geïoniseerd. Deze hele techniek verdwijnt: de Inner Tracker van de HL-LHC zal uit niets dan stralingsharde siliciumsensoren bestaan, die met een hoge nauwkeurigheid en snelheid de toekomstige botsingen zullen registreren.

Pixels en strips

Het binnenste deel van de Inner Tracker, met een diameter van zo’n 80 centimeter, wordt een zogenoemde pixeltracker. Die werkt als volgt. Als een geladen deeltje dat bij een botsing is ontstaan door het silicium schiet, ioniseert het atomen. Daarbij ontstaan elektron-gat-paren die elektrische stroompjes opwekken; een ‘hit’. De pixels in dit deel van de detector registreren deze hits met hoge precisie, waardoor in de latere reconstructiefase individuele deeltjessporen te herkennen zijn te midden van de enorme hoeveelheid hits die ontstaat bij botsingen.

Probleem is alleen dat je al die pixels van stroom moet voorzien, ze moet koelen, ze moet uitlezen… “Hoe meer pixels, des te meer infrastructuur je detector nodig heeft”, zegt Vreeswijk. De hele Inner Tracker vullen met pixels is daardoor geen optie. “Dat zou heel duur zijn.”

Bovendien, vervolgt Vreeswijk, is dat ook niet nodig. Hoe verder je van het punt af zit waar de botsingen plaatsvinden, hoe meer de deeltjessporen uit elkaar komen te liggen. Daarbij is het om de energie van de deeltjes te kunnen bepalen vooral nodig om te meten hoeveel ze worden afgebogen door het magneetveld in de detector. Daardoor kun je in het buitenste deel van de Inner Tracker – met een diameter tussen 80 centimeter en 2 meter – volstaan met silicium strips, zo’n 80 micrometer breed en afhankelijk van de plek in de detector tussen de 15 en 60 millimeter lang.

Deeltjesfysicus Marcel Vreeswijk leidt de Nederlandse inspanningen om de deeltjesdetector ATLAS voor te bereiden op de komst van de High-Luminosity LHC, waarin het aantal deeltjesbotsingen flink wordt opgeschroefd. Foto: NIKHEF/Marco Kraan

Wel is het nodig om dit deel van de detector te koelen. In een halfgeleider zoals silicium is er sowieso sprake van een constante stroom zónder dat er deeltjes passeren: de zogenoemde lekof donkerstroom. Door stralingsschade ontstaan er bovendien gaandeweg onvolkomenheden in het siliciumrooster die dit probleem verergeren. Omdat de hoeveelheid lekstroom exponentieel afhankelijk is van de temperatuur, helpt een lage temperatuur enorm om deze bron van ruis te onderdrukken. 

Dat koelen gebeurt met tweefasekoeling, legt Vreeswijk uit. “We brengen koolstofdioxide net aan de kook bij een temperatuur van -35 graden Celsius en laten het dan door de sensoren gaan. Daar neemt het warmte-energie op zonder dat de temperatuur van de koolstofdioxide verandert. Dat is een efficiënte manier van koelen waardoor je minder koelpijpen nodig hebt – en dus minder componenten die je metingen kunnen verstoren.”

Muonen meten

Rond de Inner Tracker, gevuld met pixels en strips, zitten nog twee detectorlagen. De eerste is de calorimeter. “Dat is een laag van minstens een meter dik waar alleen muonen en neutrino’s doorheen komen”, zegt Vreeswijk. Alle andere – bekende – deeltjes worden uiteindelijk in de calorimeter tegengehouden door dikke platen staal. Tussen dat staal zitten lagen scintillerend materiaal waarmee de energie wordt gemeten van de gestopte deeltjes.

Om die calorimeters zitten tot slot nog de systemen om de muonen te meten – de neutrino’s verlaten de detector ongezien. Die beslaan het overgrote deel van het volume van ATLAS. In deze muondetectoren, die zich uitstrekken tot 12 meter van het midden van de detector, zijn rond de 380.000 aluminium buizen van zo’n 3 centimeter diameter verwerkt, gevuld met een gasmengsel. Schiet er een muon door zo'n buisje, dan komen er elektronen los van hun atomen die vervolgens worden aangetrokken door een draadje in het midden van het buisje. Met de signaaltjes die dat oplevert, is het spoor van het passerende muon te volgen met een nauwkeurigheid van een tiende millimeter.

Pizzapunten

Ook de calorimeters en de muondetectoren voldoen niet aan de eisen die de HL-LHC stelt, maar die zijn in al een eerder stadium opgewaardeerd, vertelt Vreeswijk. Op dit moment hoeft dus ‘alleen nog’ de Inner Tracker onder handen te worden genomen – een klus die gelijktijdig door meerdere partijen wordt uitgevoerd. “Om zo'n upgrade binnen afzienbare tijd klaar te krijgen, moet je het werk verdelen. Als je dat op één plek zou doen, ben je zeker tien jaar verder.”

Daarom is de Inner Tracker opgesplitst in meerdere delen. Wat de structuur en integratie van de stripdetectoren betreft: het cilindervormige middelste gedeelte, de zogenoemde barrel, is ondergebracht bij CERN, terwijl de van koolstofvezel gemaakte structuren van beide endcaps op Nikhef zijn gebouwd. “Eén van die structuren hebben we vervolgens verpakt in een grote, thermisch geïsoleerde ‘doos’ met een gedempte vloer, die per vrachtwagen naar het deeltjeslab DESY in Hamburg is vervoerd.”

Het Nederlandse instituut voor subatomaire fysica Nikhef bouwde de structuren voor de twee endcaps – de ‘uiteinden’ – van de nieuwe Inner Tracker van het LHC-experiment ATLAS. Een daarvan ging vervolgens per vrachtwagen naar het Duitse instituut DESY. Foto’s: NIKHEF/Marco Kraan

Momenteel worden zowel in Nederland als in Duitsland 192 petals in die structuren gelegd en vastgelast: ‘pizzapunten’ vol met siliciumstripsensoren en elektronica. “Dat is een enorm werk”, zegt Vreeswijk. “Vooral omdat we continu moeten testen. Elke keer dat we zestien petals hebben geplaatst, sluiten we de endcap af en koelen we die, om te kijken of hij nog naar behoren werkt. De verbindingen tussen de elektronica en de sensoren zijn namelijk heel gevoelig, waardoor er tijdens de installatie gemakkelijk iets beschadigd kan raken.”

De put in

Als Nikhef en DESY eind 2028 of begin 2029 elk hun deel van de klus hebben geklaard, gaan beide endcaps naar CERN, ook weer per vrachtwagen. Daar worden ze dan – na de nodige tests, om te zien of alle hardware de reis heeft overleefd – aan de barrel bevestigd. Vervolgens gaat de pixeldetector erin, als het staafje grafiet in een potlood. “En dan gaat het hele pakket van 6 meter lang en met een diameter van 2 meter de ATLAS-put in.”

Daar kan de vernieuwde detector dan, op zijn vroegst in 2030, beginnen met het registreren van veel meer deeltjesbotsingen dan ooit tevoren. “We hebben tot nu toe pas 5 procent verzameld van de totale hoeveelheid data die de LHC in zijn hele levensduur gaat opleveren”, zegt Vreeswijk. “De volgende 95 procent stelt ons in staat om het higgsveld te doorgronden – en daarbij zijn verrassingen niet uitgesloten.”