(AGENPARL) – mar 05 luglio 2022 APPROFONDIMENTO
INTERVENTI DI AGGIORNAMENTO ESEGUITI DURANTE IL LONG SHUTDOWN 2
UPGRADE LHC
Il lungo shutdown 2 ha permesso un importante ammodernamento e miglioramento degli iniettori di LHC. Il cosiddetto progetto LIU (LHC Injectors Upgrade) ha realizzato la sostituzione del primo “anello” della catena di accelerazione (il LINAC2) con il LINAC4, che accelera le particelle a un’energia più elevata, ma soprattutto produce un’intensità doppia di protoni per pacchetto. Inoltre, il rimpiazzo del sistema a radiofrequenza dell’acceleratore SPS (Super Proton Synchroton) e molti altri interventi di miglioria della lunga catena di iniezione permettono di ottenere densità di particelle più elevate per rispondere alle esigenze di HL-LHC (High-Luminosity LHC), il progetto di aumento del numero di collisioni in LHC, che dovrebbe realizzarsi a partire del 2026.
Inoltre, nel corso di LS2 si sono potuti compiere una serie di interventi di manutenzione ordinaria e straordinaria su LHC, che permettono di aumentare l’energia di collisione della macchina, ma soprattutto di funzionare nei prossimi quattro anni con una rinnovata affidabilità e giungere all’appuntamento di HL-LHC con una parte dei lavori di upgrade già avanzati.
L’attività più importante per LHC è stato il progetto DISMAC (acronimo di Diode InSulation and MAgnet Consolidation), che ha permesso di rinforzare LHC per consentire l’aumento sicuro dell’energia da 6,5 a 6,8 TeV. Si tratta dell’isolamento di uno dei componenti cruciali per la protezione dei magneti di LHC: i diodi. Durante il quench (transizione tra la fase superconduttiva e la fase resistiva), che può occorrere in un magnete superconduttivo quando si aumenta la corrente (e quindi il campo magnetico al suo interno) a valori prossimi al suo limite ingegneristico, un diodo, collegato in serie con il magnete, si attiva per evitare che la corrente continui a circolare nel magnete. Altre protezioni garantiscono inoltre che l’energia del magnete si dissipi in maniera sicura al suo interno. Per una serie di ragioni pratiche, la connessione elettrica della maggior parte dei diodi dei 1232 dipoli di LHC non fu isolata durante l’installazione della macchina, con il risultato che, durante i molteplici quench avvenuti nel passato, in due casi si è osservato un problema elettrico (corto a terra di uno di questi diodi) che ha richiesto il riscaldamento di una parte della macchina per risolverlo. L’aumento dell’energia di LHC, sebbene dell’ordine di un ‘piccolo’ 5%, ha comportato circa 900 quench sui dipoli nel tunnel nell’ultimo anno: senza il consolidamento effettuato sull’isolamento dei diodi, avremmo potuto avere altri casi di perdita dell’isolamento elettrico, con possibili conseguenze sulla disponibilità della macchina. Per completare questo lavoro di consolidamento di LHC, una squadra di circa 150 persone ha lavorato durante poco più di un anno per aprire più di 1200 interconnessioni tra magneti, permettere l’accesso ai diodi, isolarne le parti nude e richiudere e testare il tutto. Inoltre, una parte di questa squadra ha lavorato a sostituire 22 dei magneti della macchina che avevano delle debolezze elettriche di altro tipo (circuiti secondari danneggiati, protezione ridotta, configurazione dei tubi delle particelle non standard ecc.) e ha contribuito a implementare nuove soluzioni di misura e diagnostica sui circuiti di raffreddamento di LHC.
Per quanto riguarda il raffreddamento, durante i due anni di LS2, l’acceleratore ha dovuto essere riscaldato per poter operare sui suoi magneti. Il servizio di criogenia del CERN ha quindi compiuto dei lavori di manutenzione di tutte le installazioni, inviando i grossi compressori (che servono a raffreddare l’elio che scorre nei magneti) persino a migliaia di chilometri di distanza per rimetterli in un perfetto stato di funzionamento che garantisca di operare senza problemi durante i prossimi quattro anni del Run3.
Molti altri gruppi e servizi sono stati poi attivi nel tunnel di LHC. A partire dal gruppo di protezione, che ha effettuato interventi di manutenzione sui sistemi che garantiscono di operare in maniera continua e sicura su LHC. Al gruppo di radiofrequenza, che ha sostituito dei moduli delle cavità che accelerano i fasci e ha lavorato a migliorare la diagnostica e i sistemi di feedback. Il gruppo di strumentazione ha anch’esso migliorato i propri strumenti di “osservazione” dei fasci, mettendo inoltre a punto tecnologie che saranno di grande utilizzo negli anni di HL-LHC. Proprio per HL-LHC, poi, un grande lavoro è stato fatto negli ultimi anni per realizzare le infrastrutture necessarie all’installazione di tutte le apparecchiature per il futuro upgrade della macchina, con lo scavo di due tunnel di 300 metri di lunghezza che corrono paralleli al tunnel principale, al punto 1 e 5 di LHC.
UPGRADE ALICE
L’esperimento ALICE è stato profondamente rinnovato durante LS2. L’aggiornamento è risultato necessario per poter gestire e sfruttare l’elevato tasso di collisioni tra nuclei di Piombo previsto a partire dal Run 3 e per incrementare l’efficienza di tracciamento e in generale la risoluzione della ricostruzione degli eventi, in modo da poter effettuare misure di elevata precisione.
Il rinnovamento e la sostituzione di molti dei detector hanno perciò richiesto anche l’aggiornamento delle loro elettronica di lettura, per far fronte alle nuove condizioni di presa dati. Nell’ambito di simili attività, i progetti che hanno visto il contributo dei gruppi INFN sono stati quelli relativi a: il rivelatore di tempo di volo (Sezioni INFN coinvolte: Bologna e Salerno); il tracciatore di muoni (Sezione INFN coinvolta: Cagliari); il rivelatore di identificazione di muoni (Sezione INFN coinvolta: Torino); il calorimetro elettromagnetico (Sezioni INFN coinvolte: Catania, LNF); il calorimetro a zero gradi (Sezioni INFN coinvolte: Torino e Cagliari); il ring imaging Cherenkov (Sezione INFN coinvolta: Bari).
Importanti interventi di sostituzione e upgrade che non hanno coinvolto gruppi INFN hanno invece riguardato: la camera di tracciamento temporale (TPC), per la quale è stato necessario sostituire le precedenti camere proporzionali multifilo con rivelatori a gas di nuova generazione GEM (Gas Electron Multiplier) a 4 piani; il transition radiation detector, in cui è stata aggiornata l’elettronica di lettura; il nuovo sistema di selezione degli eventi, che ha comportato la sostituzione dei precedenti rivelatori di trigger con i nuovi Fast Interaction Trigger.
Il secondo obiettivo dell’aggiornamento, ovvero l’aumento di precisione dell’apparato, ha inoltre condotto alla progettazione, costruzione e implementazione di nuove soluzioni tecnologiche. Tra queste, la sostituzione del rivelatore di tracciamento interno (ITS, Inner Tracking System) con un nuovo detector (ITS2) composto da 7 strati di rivelatori a pixel al silicio basati su sensori MAPS (Monolithic Active Pixel Sensor) e dotato di ben 12, 5 miliardi di canali, pari a 12, 5 Gigapixel. I ricercatori italiani dell’INFN sono stati coinvolti in tutte le fasi di progettazione, costruzione, test, assemblaggio e commissioning di questo rivelatore. (Sezioni INFN coinvolte: Bari, Cagliari, Catania, LNF, Padova, Pavia, Torino, Trieste).
Ulteriore intervento volto al miglioramento della precisione dell’esperimento, e in particolare all’incremento dell’accuratezza nella determinazione del punto di produzione dei muoni, ha riguardato il sistema di rivelazione di muoni, modificato anteponendo all’assorbitore di adroni un tracciatore formato da 5 piani di silicon MAPS identici a quelli usati per l’ITS.
L’upgrade dell’apparato e l’elevato tasso di acquisizione dati si tradurranno nella crescita di dati in uscita. Tutti i sistemi dell’esperimento forniranno infatti una quantità di dati grezzi pari a 3.5 TB ogni secondo. Il progetto che ha lo scopo di ridurre questa mole di dati a un livello di circa 100 GB/s ha il nome di O2 (Online & Offline). Diversi ricercatori INFN hanno contribuito alla scrittura e test del
software di O2. In particolare, uno degli assegni post dottorato INFN esplicitamente istituiti per
contribuire al calcolo degli esperimenti a LHC è stato utilizzato per supportare il lavoro di un
giovane ricercatore in questo ambito.
UPGRADE LHCbNel corso di LS2, l’esperimento LHCb, principalmente dedicato a misure di precisione delle differenze di comportamento tra particelle di materia e antimateria e allo studio dei decadimenti dei quark beauty e charm, è stato completamente riammodernato, in modo da poter lavorare con una capacità di immagazzinare dati cinque volte maggiore rispetto al passato. Questo consentirà nei prossimi anni, durante il Run-3, di acquisire dati ad un ritmo molto più veloce, per ottenere risultati di precisione ancora più sorprendenti e lavorare per dare una risposta alla fondamentale domanda sul perché l’antimateria è completamente scomparsa dal cosmo dopo il Big Bang lasciando un universo composto soltanto di materia ed energia.
Tra le principali attività di riammodernamento di LHCb, a cui l’INFN ha contribuito in maniera fondamentale, l’aggiornamento dell’elettronica di lettura delle camere a muoni, composte da quattro stazioni rettangolari poste ai vertici dell’esperimento, a loro volta costituite da 276 rivelatori proporzionali a multi-filo (MWPC, Multi Wire Proportional Chambers). In questo ambito il contributo principale degli istituti italiani di LHCb è stato lo sviluppo, il test e l’installazione delle nuove schede di elettronica di lettura e controllo. Un altro importante contributo è stato poi rappresentato dalla produzione di un adeguato numero di camere MWPC di riserva per garantire il buon funzionamento del rivelatore fino alla fine del Run 4 di LHC. (Sezioni INFN coinvolte: Bari, Cagliari, Ferrara, Firenze, Laboratori Nazionali di Frascati, Roma La Sapienza, Roma Tor Vergata).
Una ulteriore componente cruciale dell’esperimento LHCb ad essere stata oggetto degli interventi di aggiornamento, è stata quella dei rivelatori Ring Imaging Cherenkov (RICH), che forniscono l’identificazione del tipo di particelle che attraversano il rivelatore tramite la rivelazione di una particolare luce (luce Cherenkov) emessa dalle particelle cariche che hanno una velocità maggiore di quella della luce nel materiale che attraversano. Responsabili della progettazione e della realizzazione della struttura di alloggiamento dei fotorivelatori e dell’elettronica di lettura di front-end i gruppi INFN. (Sezioni INFN coinvolte: Genova, Ferrara, Milano Bicocca, Padova, Perugia)
Di responsabilità INFN, anche la progettazione, la costruzione e il collaudo di parti del rivelatore Upstream Tracker (UT), che insieme al Vertex Locator (VELO) e allo Scintillating Fibre Tracker (SciFi) costituisce il sistema di tracciatura di particelle cariche, il quale consente la misura delle traiettorie (tracce) e dell’impulso delle particelle e che rappresenta il cuore del rivelatore LHCb. (Sezioni INFN coinvolte: Milano)
Grazie a un sistema chiamato SMOG2, che consentirà di iniettare gas in prossimità del punto di collisione, violando in maniera controllata la condizione di vuoto che contraddistingue i tubi all’interno di LHC, LHCb sarà in grado, durante il Run 3, di analizzare interazioni tra fascio e gas diversi. Le interazioni fascio-gas si uniranno quindi a quelle fascio-fascio rendendo LHCb il primo e unico esperimento ad avere due punti di interazione capaci di funzionare simultaneamente. Determinante, anche in questo progetto, il ruolo svolto dai gruppi INFN (Sezioni INFN coinvolte: Cagliari, Ferrara, Firenze, Laboratori Nazionali di Frascati)
Per la prossima fase di presa dati del LHC, l’esperimento LHCb sarà dotato di un rivelatore, chiamato PLUME (Probe for LUminosity MEasurement), capace di fornire misure molto precise sul numero di collisioni, un parametro fondamentale per valutare il funzionamento dell’esperimento e del collisore stesso. Il contributo da parte dell’INFN alla costruzione e all’installazione di PLUME è stato di grande rilevanza. In particolare, i ricercatori dell’INFN si sono occupati della caratterizzazione dei fotomoltiplicatori, misurando in laboratorio le loro principali proprietà. Inoltre, essi hanno avuto un ruolo fondamentale nella messa a punto del sistema di acquisizione dati tramite la programmazione di dispositivi elettronici, dedicati a ricevere i segnali digitali e a decodificarli per la misura della luminosità istantanea. (Sezioni INFN coinvolte: Bologna)
Tra le capacità che contraddistingueranno la ripartenza di LHCb, ci sarà quella di analizzare in dettaglio tutte le collisioni che avverranno in LHC, prima di decidere se conservare o no gli eventi per le analisi successive. Ciò comporterà la necessità di analizzare completamente circa 30 milioni di eventi ogni secondo. Una sfida importante, a cui è stato dedicato il progetto dedicato denominato appunto Real Time Analysis. Il sistema si avvale di un nuovo schema di lettura elettronica dei rivelatori e di assemblaggio degli eventi (“Event Building”) con la capacità di gestire di 40 Terabit di informazioni al secondo, e di un sistema di processamento dei dati che utilizza le tecnologie computazionali più avanzate oggi disponibili. L’INFN è stato in prima linea anche nella realizzazione del sistema di readout, e di una parte di logica intelligente di ricostruzione in tempo reale degli eventi, che ha inizio fin nelle schede di elettroniche di lettura dei rivelatori. (Sezioni INFN coinvolte: Cagliari, Ferrara, Firenze, Milano, Pisa)
L’Italia, attraverso il Centro Nazionale delle Tecnologie Informatiche e Telematiche (CNAF) dell’INFN, rappresenterà infine uno dei nodi della rete di calcolo deputata al processamento dei dati prodotti da LHCb, che potrà avvalersi di calcolatori di nuova generazione e di tecniche di analisi all’avanguardia basate su algoritmi di intelligenza artificiale. (Gruppi INFN coinvolti: Bologna, CNAF, Ferrara, Firenze, Padova).
UPGRADE CMS
Le intense attività di manutenzione e aggiornamento che hanno contrassegnato LS2 hanno riguardato anche uno dei due protagonisti della scoperta, nel 2012, del bosone di Higgs, CMS. Uno dei principali interventi di upgrade di CMS svolti ha riguardato la sostituzione dello strato più interno del rivelatore di tracciamento a pixel. Questo rivelatore, che costituisce il cuore dell’esperimento, ricostruisce i percorsi di particelle cariche ad alta energia e anche il decadimento di particelle di brevissima durata. A causa della sua posizione subisce molti danni da radiazioni a causa delle collisioni di particelle. Per proteggerlo, viene mantenuto a -20 °C, ma si verificano comunque danni. Per affrontare questo problema, il sotto rilevatore è stato sottoposto a riparazioni ed aggiornamenti approfonditi ed il suo strato più interno è stato sostituito. (Sezioni INFN coinvolte: Bari, Catania, Firenze, Milano Bicocca, Padova, Pavia, Perugia, Pisa, Torino)
Ulteriori attività di rinnovamento hanno comportato l’installazione di tre sottosistemi di nuova generazione dedicati alla misurazione della luminosità e delle condizioni del fascio. Questi sottosistemi sono essenziali per la misura della rate di collisioni in tempo reale al CMS, migliorando sia il trigger rate che la qualità dei fasci forniti dall’LHC.
Al fine di aumentare la precisione delle misure effettuate da CMS, di cruciale importanza è stata l’installazione nella regione centrale del calorimetro adronico di una nuova elettronica sul rivelatore sostituendo i vecchi fotorivelatori ibridi (HPD) con nuovi fotomoltiplicatori al silicio (SiPM), che hanno un’efficienza di rilevamento dei fotoni tre volte superiore e un guadagno 200 volte superiore rispetto ai precedenti.
Il lavoro svolto dalla collaborazione CMS si è concentrato anche sulle sfide poste dalla prossima fase di alta luminosità di LHC (HL-LHC). Durante LS2, ha infatti avuto inizio il previsto aggiornamento dei rivelatori di muoni, che ha comportato l’installazione dei nuovi detector GEM (Gas Electron Multiplier) (Sezioni INFN coinvolte: Bari, Pavia, Laboratori Nazionali di Frascati). In totale, sono stati inseriti 72 moduli, ciascuno contenente due rivelatori GEM (Gas Electron Moltiplicatore). Questo è il primo dei rivelatori di CMS che servirà per operare ad alta luminosità (HL-LHC).
In previsione della fase di alta luminosità, si è anche provveduto all’installazione di rivelatori di muoni Cathode Strip Chamber (CSC), posizionati nelle regioni in avanti del sistema di muoni, di un’elettronica di nuova concezione con collegamenti ottici ad alta velocità e processori più potenti, necessari per gestire i tassi di particelle più elevati senza perdita di dati, e alla sostituzione del tubo in cui circolano i fasci con uno nuovo compatibile con il futuro aggiornamento del rivelatore di tracciamento, migliorando il vuoto e riducendo l’attivazione.
Ulteriori interventi di aggiornamento sulle componenti di CMS ad avvantaggiarsi del determinante contributo dei gruppi italiani sono stati quelli legati: alla sostituzione delle altre tipologie di rivelatori che costituiscono il sistema esterno di tracciamento dei muoni dell’esperimento, i Drift Tubes e le Resistive Plate Chambers (Sezioni INFN coinvolte: Bologna, Padova, Torino, Bari, Napoli, Pavia, Laboratori Nazionali di Frascati); al Calorimetro Elettromagnetico (ECAL) dedicato alla misura dell’energia di elettroni e fotoni (Sezioni INFN coinvolte: Milano Bicocca, Roma 1, Torino, Trieste); ai rivelatori per lo Spettrometro di Precisione per Protoni (PPS), rivolto all’analisi accurata delle collisioni elastiche che non comportano la frammentazione dei protoni. (Sezioni INFN coinvolte: Bari, Genova, Pisa, Torino).
Molti, infine, gli sviluppi conseguiti negli ultimi anni dalla collaborazione CMS sul lato software, con la riscrittura di algoritmi usati a livello di trigger (High Level Trigger, HLT) per essere usabili su Graphical Processor Units (GPU), che permettono di velocizzare l’analisi dei dati in tempo reale e quindi migliorare l’identificazione di eventi interessanti.
UPGRADE ATLAS
Anche l’esperimento ATLAS, protagonista insieme a CMS della scoperta del bosone di Higgs, ha subito un profondo rinnovamento nel corso del LS2. Un aggiornamento radicale che ha coinvolto anche due delle componenti più voluminose dell’apparato, le Small Wheel, le stazioni interne che compongono lo spettrometro a muoni in avanti dell’esperimento, interamente sostituite con nuove ruote che si presentano come un “sandwich” di due tipi diversi di rivelatori a gas (Micromegas e small-strip Thin-Gap-Chambers, sTGC), in grado di garantire la ricostruzione e la selezione degli eventi nelle nuove condizioni di luminosità del Run 3 di LHC. Fondamentale ai fini della progettazione, sviluppo, realizzazione e installazione delle nuove componenti entro i tempi stabiliti il ruolo dell’INFN, responsabile della realizzazione e dell’integrazione di 32 delle camere Micromegas. (Sezioni INFN coinvolte: Cosenza, Frascati, Lecce, Napoli, Pavia, Roma1, Roma3)
Al fine di migliorare la selezione e ricostruzione dei muoni sia nel corso del Run 3, che in
previsione della prossima fase di alta luminosità di LHC, lo spettrometro per muoni nel cuore di ATLAS è stato aggiornato per mezzo dell’istallazione di 16 camere di rivelatori a gas, denominate Resistive Plate Chambers (RPC), di responsabilità dell’INFN, accoppiate a 8 stazione per le misure geometriche di precisione, Monitored Drift Tubes. (Sezioni INFN coinvolte: Roma2, Bologna, Roma1).
Il calorimetro ad argon liquido gioca un ruolo fondamentale nell’identificazione e nella misura di energia e direzione di elettroni, fotoni e getti adronici nell’esperimento ATLAS. Grazie a una nuova elettronica e nuovo sistema di selezione degli eventi, la granularità del trigger è stata aumentata di circa un fattore 10, rispetto al trigger utilizzato nel Run 2 di LHC. Ciò permetterà una migliore discriminazione tra getti elettromagnetici ed adronici. (Sezione INFN coinvolta: Milano). 
Anche per il calorimetro a tile di scintillatore, per la rivelazione degli adroni, ha approfittato del periodo di shut down per la manutenzione e l’upgrade. In particolare, ci si è occupati del sistema di calibrazione, di responsabilità italiana, cruciale per la corretta ricostruzione dell’energia dei getti adronici. (Sezione INFN coinvolta: Pisa).
Una delle informazioni cruciali per tutte le analisi di fisica a LHC è la misura della luminosità, ossia il numero di collisioni per unità di tempo e superficie. Questa misura è effettuata con grandissima precisione da LUCID, uno strumento la cui responsabilità è quasi interamente italiana. Durante il periodo di stop sono stati sostituiti i rivelatori danneggiati e sono stati installati i prototipi per l’upgrade di fase2, in cui i rivelatori dovranno resistere ad altissimi livelli di radiazione, e misurare la luminosità con una precisione dell’1%. (Sezione INFN coinvolta: Bologna).