Preparando las cámaras de tubos de deriva de CMS para sobrevivir al chaparrón de radiación en el LHC de alta luminosidad (HL-LHC)

La colaboración CMS (Solenoide Compacto de Muones) del colisionador LHC (Gran Colisionador de Hadrones) en el CERN (Laboratorio Europeo para la Física de Partículas) acaba de concluir la instalación de un sistema de blindaje destinado a mantener las cámaras de muones más externas protegidas de la radiación de fondo presente en la caverna experimental durante las colisiones.  El CIEMAT, a través de la Unidad CFP (CIEMAT Física de Partículas), participa en el experimento CMS desde sus comienzos.

Fig. 1 Intensidad media de la radiación medida a través de corriente en el sistema de altovoltaje durante colisiones (a). La cámara superior de las ruedas exteriores (W + -2) estaba ya cubierta con prototipos de blindaje. Los sectores cubiertos por el blindaje instalado en LS2 se distinguen en rojo y verde (b).

Las cámaras de muones DT MB4, que cubren la capa exterior de la zona central de CMS, o barril, comenzarán la próxima ronda de toma de datos de LHC (llamada Run 3),  que comenzará dentro  de un año aproximadamente, protegidas por dicho nuevo blindaje, cuya instalación se ha completado en octubre de 2020. La instalación se llevó a cabo de forma intermitente a lo largo de más de un año y medio durante la presente parada técnica llamada LS2 (Long Shutdown 2, que tiene lugar entre 2019 y 2021).  El experimento CMS, en el que el grupo de altas energías del CIEMAT participa desde sus comienzos, está funcionando en el acelerador LHC en Ginebra, Suiza, desde hace más de una década. El ciclo de operación de LHC está formado por períodos de producción y paradas técnicas como LS2, donde se están realizando las reparaciones y las modificaciones necesarias para mejorar el acelerador y los detectores y optimizar así su funcionamiento de cara al Run 3. Nuestros detectores funcionan en un entorno de radiación bastante severo. En el caso de las cámaras de tubos de deriva DT, deben medir e identificar los muones que las atraviesan, pero esas no son las únicas partículas que llegan hasta ellas; están acompañadas por un ruido de fondo formado por otros tipos de partículas que dificulta especialmente la misión de esta capa externa de detectores de muones que cubre la superficie del barril de CMS. Hay que imaginar que tienen que medir las gotas de un grifo que gotea en medio de una tormenta: para evitar que la lluvia confunda la medida lo lógico sería buscar algún tipo de cobijo.  Habitualmente en un colisionador la mayoría de la radiación proviene de las partículas generadas en el punto de interacción donde chocan los haces del acelerador, por lo que es algo sorprendente que los detectores más externos de CMS no disfruten de un ambiente «seco», sino que por el contrario, sufran el mayor nivel de radiación en la región del barril del detector de muones, lo que aparece como una  ¨corona¨ roja en la parte superior de todas las ruedas en la  Fig. 1 (a).

La razón es que, si bien las cámaras están muy aisladas del punto de interacción, están «desnudas» para la radiación que consigue escapar hacia la caverna experimental desde el interior del detector. Los neutrones, debido a su elevada sección eficaz elástica (se comportan como pelotas de ping-pong) y a su tiempo de desintegración más bien largo (~ 1/4 h), llenan la caverna experimental durante las colisiones, reflejándose en las paredes de la caverna e incidiendo en las cámaras que cubren CMS  desde el exterior. Por este motivo, la mayoría de las señales medidas por las cámaras exteriores procede de estos neutrones, capaces de escapar del detector interno atravesando unos pequeños huecos en el blindaje delantero.

La estación que cubre la superficie exterior del barril, ubicada fuera de la estructura de retorno del imán solenoide de CMS, está compuesta por las cámaras más grandes en CMS (DT MB4), cubriendo un cilindro de un área de ~ 600 m2 con 8 capas sensibles y proporcionando la posición precisa del muon y la dirección en el plano transverso al haz de partículas para el sistema de disparo y la reconstrucción offline. Si bien los niveles de radiación observados durante el funcionamiento del LHC no son un problema para el rendimiento o la longevidad de las grandes cámaras de deriva, las medidas realizadas en la instalación de irradiación CERN GIF ++ indicaron que el envejecimiento del hilo sensor (ánodo) podría reducir la eficiencia tras integrar la luminosidad completa del HL-LHC [The Phase-2 Upgrade of the CMS Muon DetectorsCERN-LHCC-2017-012 ; CMS-TDR-016, 12 Sep 2017]. Para garantizar la longevidad de las cámaras en la fase de alta luminosidad HL-LHC, se ha instalado un blindaje de polietileno borado y plomo relativamente delgado sobre todas las cámaras tipo MB4 de los sectores superiores durante LS2 como se puede ver en la figura 1. El nivel de atenuación que conseguirán depende del espectro del fondo de radiación en la caverna experimental, que no se conoce con precisión.  No obstante, varias pruebas con prototipos realizadas durante el Run 2 nos hacen esperar que se pueda lograr un factor de atenuación de 2-3 con 7 mm de plomo + 3 cm de polietileno borado, que en primera aproximación mejorará la vida útil de las cámaras en un factor similar. Siguiendo el símil anterior, estamos ampliando la vida útil de nuestros detectores manteniéndolos lo suficientemente «secos», protegidos bajo nuestro ¨tejadillo¨. 

La mayoría de las estructuras se han diseñado en el CIEMAT por el Dr. Enrique Calvo con la ayuda de Sergio Pulido y se han fabricado íntegramente en la Unidad de Fabricación y Apoyo a la I+D del CIEMAT. Los blindajes, de más de 200 Kg cada uno, encapsulados en Aluminio para evitar el contacto directo con el plomo y por motivos de seguridad contra incendios, así como las estructuras de acero de soporte se han fabricado en el CIEMAT y se han transportado a las instalaciones de CMS en Cessy (Francia).  Se insertan como cassettes en una nueva estructura de soporte que cuelga del andamio que rodea el barril donde se ubican la infraestructura electrónica, de gas y de refrigeración del detector. La inserción controlada de los cassettes en las estructuras se realizó gracias a un útil compuesto por una mecánica versátil y adaptable y unos motores controlados por una electrónica desarrollada también en el CIEMAT (Dr. Álvaro Navarro, J. M. Cela). El montaje de los cassettes, del útil de inserción y las pruebas de las vigas se han realizado en el Edificio 75 del CIEMAT por el equipo de técnicos del Departamento de Investigación Básica y con ayuda del Departamento de Tecnología: Carlos Puras, Julián Romero, Carlos Blanco, Iván Martín, Javier Yáñez, Víctor Salto y David Francia. El final de la producción fue objeto de una anterior noticia en la web del CIEMAT donde se pueden encontrar más detalles al respecto.

Durante la instalación se realizaron simulaciones mecánicas detalladas, así como mediciones de seguimiento de la deformación de esta estructura para garantizar la seguridad de la estructura bajo la carga adicional de ~ 40 toneladas. Equipos de técnicos del CIEMAT, la mayoría de los citados arriba, se desplazaron al CERN para realizar la instalación de este sistema bajo la supervisión del Dr. Ignacio Redondo, trabajando con equipos del CERN, particularmente los operadores del puente grúa de la caverna experimental, y de otros institutos de la colaboración de las cámaras de deriva de CMS. Se ha estado trabajando intermitentemente durante el último año y medio para ensamblar este «mecano» desde plataformas móviles elevadas fuera de las ruedas así como dentro del andamio verde que se puede observar en las imágenes.

Fig 2. (a,b,c). Algunas imágenes de la herramienta de instalación y un modelo 3D donde se ve mejor la ubicación del blindaje, en gris, suspendido del andamio verde y el útil de inserción, en azul claro.

La instalación pieza a pieza de todo el sistema fue un proceso laborioso, como se puede se ve en la figura 2 y en los videos [ver enlaces al final de la noticia], por lo que la culminación de esta tarea fue motivo de satisfacción para todo el equipo involucrado en esta actividad. La Dra. Cristina Fernández-Bedoya, investigadora principal del proyecto de CMS en el que se enmarca esta aportación comenta que: «La capacidad técnica del CIEMAT nos ha permitido diseñar, fabricar e instalar esta gran estructura compleja dentro de CMS, capacidad técnica que ha sido valorada muy positivamente en el CERN. Ha sido una colaboración muy satisfactoria entre los departamentos de Tecnología e Investigación Básica, con la inestimable labor de la Unidad de Fabricación y Apoyo a la I+D.» «La estructura finalmente se ha completado y mantendrá los detectores en un estado mucho más seguro durante HL-LHC», respira aliviado el actual responsable del proyecto DT, el Dr. Ignacio Redondo, quien recuerda que el grupo DT ha decidido dedicar este blindaje a la memoria del profesor Alberto Benvenuti, el Coordinador Técnico de DT que lideró la instalación de las cámaras en CMS y que lamentablemente falleció en abril de 2018.

Fuente: CIEMAT

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