Hinter den Kulissen der Modernisierung des Large Hadron Colliders

Aleksandra: Beginnen wir mit einem Überblick. ATLAS ist der grösste Detektor, der für die Detektion und Charakterisierung hochenergetischer Teilchenkollisionen entwickelt wurde. Warum benötigt ATLAS einen neuen inneren Detektor und ein neues Auslesesystem?

Silke: Der Large Hadron Collider wird bis 2030 modernisiert. Die Idee dahinter ist, mehr Teilchenkollisionen bei jeder Strahlkreuzung zu erzielen, um seltene neue Phänomene beobachten zu können, die mit den aktuellen Statistiken bisher nicht sichtbar sind. Für ATLAS bedeutet dies, dass viel mehr Teilchen durch den Detektor fliegen werden. Der derzeitige Inner Detector ist dafür nicht ausgelegt; er ist einfach nicht schnell genug und nicht granular genug, um zu erkennen, woher jedes Teilchen stammt. Also müssen wir den Inner Tracker bauen.

Aleksandra: ATLAS ist ein riesiger Detektor, und viele Gruppen arbeiten an seinem Upgrade. An welchen Teilen arbeitet ihr?

Silke: Ja, ATLAS besteht aus vielen Schichten. Man kann sich das wie unterschiedlich grosse Dosen vorstellen, die ineinander gestapelt sind. Der Inner Detector misst, wo die Teilchen kollidieren und wohin die neu entstandenen Teilchen fliegen. Um ihn herum haben wir zwei verschiedene Kalorimeter, die, wie der Name schon sagt, die Energie der Teilchen messen. Und der grösste Teil ist das Myonensystem, das Myonen detektiert — Teilchen, die alle anderen Systeme ungehindert durchdringen.

In unserer Arbeit kümmern wir uns nur um den Upgrade[1] des Inner Detectors, der 2028 während der nächsten langen Abschaltung des LHC ersetzt werden soll. Bei diesem Detektor arbeiten wir am innersten Teil, dem Pixelsystem. Und auch dort arbeiten wir nicht an den Modulen, die die Teilchen tatsächlich messen, sondern am Auslesesystem.

Jedes Mal, wenn ein geladenes Teilchen durch den Detektor fliegt, sehen wir elektrische Signale. Wir müssen diese Signale aus der tief unter der Erde gelegenen Kaverne zu den Computern bringen, damit wir etwas damit anfangen können. Allerdings können wir nur maximal sechs Meter Elektrokabel verwenden. Danach verschlechtert sich das Signal zu sehr, um noch brauchbar zu sein. Deshalb haben wir das Optosystem entwickelt, das ein elektrisches Signal in ein optisches umwandelt, das mit geringeren Verlusten über viel grössere Entfernungen übertragen werden kann.

Aleksandra: Was waren die grössten Herausforderungen bei der Entwicklung dieses Auslesesystems?

Camilla: Nach dem Upgrade wird es pro Strahlkreuzung etwa dreimal so viele Kollisionen geben wie jetzt. Ausserdem wird die Pixeldichte höher sein. Das führt zu einer viel höheren Datenrate als beim aktuellen Detektor. Da das derzeitige System nicht einfach erweitert werden kann, muss alles mit modernen Hochleistungskomponenten effizienter neu gestaltet werden.

Ausserdem ist die Strahlung so nahe am Kollisionspunkt sehr hoch, sodass die elektronischen Komponenten strahlungshart sein müssen. Es gibt Chips, die genau für diesen Zweck am CERN entwickelt wurden. Unsere Aufgabe ist es, sie so zusammenzusetzen, dass sie in den Detektor passen und die Aufgabe erfüllen, alle Signale wiederherzustellen und in optische Signale umzuwandeln.

Silke: Wir waren auch durch die Geometrie des Detektors eingeschränkt. Wie bereits erwähnt, besteht ATLAS aus vielen Subsystemen, die mehrere übereinanderliegende Schichten bilden. Unser Auslesesystem soll ausserhalb des neuen Inner Trackers angebracht werden, damit die Strahlung nicht so hoch ist. Das bedeutet, dass wir zwischen den einzelnen Schichten von ATLAS Platz für unser Optosystem benötigen. Da der Detektor weiterhin funktionsfähig sein muss, gibt es viele mechanische Einschränkungen hinsichtlich der Gestaltung des Optopanels.

Aleksandra: Das klingt nach einer Menge Dinge, über die man nachdenken muss. Könntet ihr mir einen Einblick in den Entwicklungsprozess geben?

Camilla: Am Anfang gab es viele Brainstormings mit Maschinenbau- und Elektroingenieur:innen sowie Physiker:innen. Wir haben einfach an einer Tafel gearbeitet und Ideen gesammelt. Wir mussten eine sinnvolle Logik finden, um alle Chips, Stromversorgungen und mechanischen Komponenten so miteinander zu verbinden, dass sie in den verfügbaren Raum passten.

Silke: Ausserdem wollten wir das System modular aufbauen, damit bei Ausfall eines Elements nicht der gesamte Detektor ausfällt.

Camilla zeigte mir das von ihnen entwickelte System. Es ist in Abbildung 2 zu sehen: Ein einzelnes Modul, die Optobox, enthält acht Optoboards – die Hauptkomponente des Auslesesystems. Jedes Optoboard verfügt über vier Chips, die das Signal wiederherstellen, nachdem es sechs Meter vom Detektor zurückgelegt hat. Danach wird das Signal serialisiert und durch das optische Modul geleitet, das es in ein optisches Signal umwandelt. Alle Optoboxen werden dann auf dem Optopanel angeordnet, das im Detektor platziert wird.

Aleksandra: Als ihr das Design entworfen habt, musstet ihr testen, ob alles zusammen funktioniert, richtig? Wie läuft dieser Prozess in der ATLAS-Kollaboration ab?

Silke: Um zu testen, ob die Auslese funktioniert, wollten wir so schnell wie möglich die erste Version des eigentlichen Detektormoduls haben, das von anderen Teams in ATLAS entwickelt wurde. Beim Testen geht es nicht nur um das Signal, sondern um den gesamten Pfad mit allen Kabeln und Steckern.

Dabei gibt es immer neue Herausforderungen. Wir haben zum Beispiel festgestellt, dass unser ursprünglicher Entwurf mechanisch keinen Sinn ergab, da wir die Optoboxen nicht mehr öffnen konnten, sobald sie auf das Optopanel geschraubt waren. Aber nach der abschliessenden erfolgreichen Prüfung des Designs, wurde der Entwurf endgültig festgelegt. Als Nächstes müssen wir eine Produktionsfreigabeprüfung bestehen, bei der wir nachweisen müssen, dass 10 % des Optosystems produziert wurden und alle Qualitätskontrollen bestanden haben. Daran arbeiten wir gerade.

Wir testen jede Komponente, die hereinkommt. Dann schrauben wir die gesamte Optobox zusammen und testen sie. Schliesslich setzen wir sie in ein Optopanel ein und testen sie erneut. Meine Hauptaufgabe besteht darin, darüber nachzudenken, wie wir unser System pünktlich und funktionsfähig liefern können. Dazu muss ich mir überlegen, was wir testen müssen, wie wir dies am besten tun und sicherstellen, dass alles gut dokumentiert ist.

Aleksandra: Produziert ihr die Optoboards selbst?

Camilla: Nein, für den gesamten Detektor benötigen wir etwa 2200 Optoboards. Obwohl wir hier vieles von Hand erledigen können, gibt es einige sehr kleine Komponenten auf den Platinen. Wenn wir die Qualität sicherstellen wollen, brauchen wir eine industrielle Fertigung. Die ersten 10 % haben wir in dem Unternehmen produzieren lassen, das die Massenproduktion übernehmen wird. So können wir eventuelle Probleme jetzt schon erkennen und müssen sie nicht erst während der endgültigen Produktion lösen.

Aleksandra: Ich sehe, dass ihr zur Entwicklung und Erprobung eures Systems mit anderen Teams innerhalb von ATLAS zusammenarbeiten musstet. Wie ist es, in einer so grossen Kollaboration zu arbeiten?

Camilla: In einer grossen Kollaboration muss jeder pünktlich bereit sein, oder? Wenn jemand hinter dem Zeitplan zurückliegt, werden alle anderen aufgehalten. Bislang war das glücklicherweise nicht bei uns der Fall, aber das kann eine Herausforderung sein.

Silke: Ausserdem ist die Anzahl aller Komponenten begrenzt. Um unser Optosystem zu testen, benötigen wir beispielsweise Detektormodule. Diese Module werden jedoch auch von 20 anderen Standorten benötigt. Glücklicherweise sorgt unsere Managementstruktur dafür, dass jede Gruppe alles bekommt, was sie braucht. Es ist eine Herausforderung, aber es ist auch toll, mit all den anderen Instituten zusammenzuarbeiten. Ich habe es sehr gern, dass man Kolleg:innen aus der ganzen Welt hat.

Autorin: Aleksandra Nelson