Verdens første krabbe af en protonstråle

CERN har med succes testet "krabbehulrum" for at rotere en protonstråle - en verdens første. Testen fandt sted den 23. maj ved hjælp af en stråle fra CERNs Super Proton Synchrotron (SPS) accelerator og viste, at bundter af protoner kunne vippes ved hjælp af disse superledende tværgående radiofrekvenshulrum. Disse hulrum er en nøglekomponent i High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC), den fremtidige opgradering af LHC.

HL-LHC, som tages i brug efter 2025, vil øge LHC -lysstyrken med en faktor på fem til ti. Lysstyrke er en afgørende indikator for en kollideres ydeevne:den angiver antallet af potentielle kollisioner pr. Overfladeenhed over en given periode. Med andre ord, jo højere lysstyrke, jo højere antal kollisioner og jo flere data kan eksperimenterne indsamle. Dette vil give forskere mulighed for at observere sjældne processer, der forekommer ud over LHC's nuværende følsomhedsniveau. Fysikere vil også være i stand til at udføre præcise undersøgelser af de nye partikler observeret ved LHC, såsom Higgs boson. De nyudviklede krabbehulrum vil spille en vigtig rolle for at øge lysstyrken.

I LHC, de to modroterende stråler er ikke en kontinuerlig strøm af partikler, men består af "bundter" af protoner, der er få centimeter lange, hver indeholder milliarder af protoner. Disse bundter mødes i en lille vinkel ved hvert kollisionspunkt i forsøgene. Når den er installeret på hver side af ATLAS- og CMS -eksperimenterne, Krabbehulrummene vil "vippe" bundter af protoner i hver stråle for at maksimere deres overlapning ved kollisionspunktet. På denne måde vil hver proton i flokken blive tvunget til at passere gennem hele længden af ​​den modsatte flok, øger sandsynligheden for kollisioner og dermed mere lysstyrke. Efter at være blevet vippet, bevægelsen af ​​protonklaserne ser ud til at være sidelæns - ligesom en krabbe. Krabbehulrum blev allerede brugt i KEKB -kollideren i Japan til elektroner og positroner, men aldrig med protoner, som er mere massive og med væsentligt højere energier. "Krabbehulrum forventes at øge den samlede lysstyrke med 15 til 20%, "forklarer Rama Calaga, leder af krabbekavitetsprojektet.

De to første krabbehuleprototyper blev fremstillet på CERN i 2017 i samarbejde med Lancaster University og Science and Technology Facilities Council (STFC) i Det Forenede Kongerige, samt det amerikanske LHC Accelerator Research Program (USLARP). Hulrummene blev samlet i en kryostat og testet ved CERN. De er lavet af niobiums superledende materiale med høj renhed, arbejder ved 2 kelvin (-271 ° C), for at generere meget høj tværspænding på 3-4 millioner volt. Hulrummene blev installeret i SPS -acceleratoren under det sidste vintertekniske stop for at gennemgå valideringstest med protonstråler.

De første stråletest den 23. maj varede i mere end 5 timer ved en temperatur på 4,2 K med en enkelt protonbunke accelereret til 26 GeV og indeholdende mellem 20 og 80 milliarder protoner, næsten intensiteten af ​​LHC -bundterne. Krabbehulrummene blev drevet til omkring 10% af deres nominelle spænding. "Krabben" blev observeret ved hjælp af en speciel skærm til at observere hældningen langs bundtens længde. "Disse test markerer starten på et unikt anlæg til test af superledende hulrum på en højstrøm, høj energi protonstråle, "forklarer Lucio Rossi, leder af HL-LHC-projektet. "Resultaterne er imponerende og afgørende for at bevise muligheden for at bruge sådanne hulrum til at øge lysstyrken i LHC."

I de kommende måneder, hulrummene vil blive taget i brug til deres nominelle spænding på 3,4 millioner volt og vil gennemgå en række tests for fuldt ud at validere deres drift for HL-LHC-æraen. I alt 16 sådanne hulrum vil blive installeret i HL-LHC-otte nær ATLAS og otte nær CMS.