美国费米国家加速器实验室1月15日发布消息称，美国资助的 CMS 实验升级项目的一个重要里程碑是成功向欧洲核子研究组织(CERN)运送了一根关键的5米长碳支撑管。这一里程碑式的交付标志着CMS实验为大型强子对撞机(LHC)的高亮度升级(HL-LHC)做好了进一步准备。
学生们在普渡大学的桶式计时层跟踪器支撑管内工作。图片来源：CMS 合作
这根碳支撑管由美国普渡大学设计和建造，将作为CMS实验新内部粒子探测器的支撑结构。CMS合作小组由来自50多个国家约240个机构的科学家组成，他们共同致力于利用CMS实验收集和研究粒子碰撞数据。美国团队作为该合作项目的最大贡献者之一，约占合作项目的30%，由美国能源部费米国家加速器实验室主办。
CMS实验是LHC的四个主要探测器之一，用于记录来自世界上最强大的粒子加速器的数据。LHC产生的粒子碰撞能够释放出大量高度集中的能量，科学家通过研究这些能量释放过程中产生的短寿命粒子，可以深入了解宇宙的形成和演化。然而，最有趣的现象往往极其罕见，如希格斯玻色子的发现就大约发生在十亿分之一的碰撞中。为了研究这些罕见事件，科学家需要更多的碰撞数据。
HL-LHC升级计划将使质子对质子的碰撞率翻倍，从而大幅增加科学家可供研究的数据量。但这也对CMS探测器的性能提出了更高要求，尤其是靠近碰撞点的内部探测器，将受到高强度的辐射。因此，CMS需要进行重大改造，用新的抗辐射探测器替换内部探测器。
普渡大学的物理学家Andy Jung及其团队承担了这一挑战，他们设计和建造了这根既坚固又轻巧的碳支撑管。该支撑管由一个覆盖有碳纤维外皮的蜂窝状核心组成，并配备了最终将支撑探测器的轨道。经过多次原型测试和负载测试后，团队确信其结构安全可靠。
BTST 团队在 CERN 拆开试管包装。图片来源：Noor Abduljalil J Abdulla，CERN
然而，在将支撑管运送到CERN的过程中也遇到了一些波折。在从加州顺利抵达普渡大学后，载有支撑管的箱子在运输过程中遭遇事故，导致箱子顶部受损。经过几个月的分析和测试后，团队确信只有箱子受损，支撑管本身并未受损。经过对箱子进行修改后，它终于成功启程前往欧洲，并在2024年11月15日抵达CERN。
CMS HL-LHC升级部分副项目经理Vaia Papadimitriou表示：“我们预计在达到HL-LHC计划亮度的三分之一后，现有探测器的性能就会严重下降。这就是为什么我们需要用新的抗辐射探测器替换内部探测器的原因。这根碳支撑管的成功交付是这一升级计划的重要一步。”
普渡大学的Jung认为，这根支撑管的交付对参与该项目的科学家、工程师、学生和支持人员来说是一大成就。他表示：“我们只有拥有优秀的人才才能做出伟大的工作。这次合作展示了普渡大学在复合材料和工程领域的卓越实力。”
下一步，科学家们将在这根支撑管内安装多层探测器，并在2028年将完成的5吨重的包裹放入LHC的洞穴中。
