Stort Hadron Collider -opgraderingsprojekt springer fremad

U.S. Large Hadron Collider Accelerator Upgrade Project er det Fermilab-ledede samarbejde mellem amerikanske laboratorier, der, i partnerskab med CERN og et dusin andre lande, arbejder på at opgradere Large Hadron Collider. LHC AUP begyndte for godt to år siden og, den 11. februar kl. den modtog vigtige godkendelser, gør det muligt for projektet at overgå til de næste trin.

US Department of Energy -projekter undergår en række vigtige anmeldelser og godkendelser, kaldet "kritiske beslutninger", som hvert projekt skal modtage. Tidligere på måneden, AUP opnåede godkendelse for både kritiske beslutninger 2 og 3b fra DOE. CD-2 godkender ydelsesbaseline-omfanget, pris og tidsplan - for AUP. For at blive ved denne tidsplan, CD-3b giver projektet mulighed for at modtage de nødvendige midler og godkendelse til at købe basismaterialer og producere endelige designmodeller af to teknologier inden udgangen af ​​2019.

LHC, en partikelaccelerator på 17 miles omkreds på den fransk-schweiziske grænse, smadrer sammen to modstående stråler af protoner for at producere andre partikler. Forskere bruger partikeldata til at forstå, hvordan universet fungerer i subatomær skala.

I sin nuværende konfiguration, gennemsnitlig, en forbløffende 1 milliard kollisioner sker hvert sekund ved LHC. De nye teknologier, der er udviklet til LHC, vil øge dette tal med en faktor 10. Denne stigning i lysstyrken-antallet af proton-proton-interaktioner pr. Sekund-betyder, at betydeligt flere data vil være tilgængelige for eksperimenter på LHC. Det er også grunden til colliderens nye navn, High-Luminosity LHC.

"Behovet for at gå ud over den allerede fremragende ydeevne af LHC er grundlaget for den videnskabelige metode, "sagde Giorgio Apollinari, Fermilab-videnskabsmand og HL-LHC AUP-projektleder. "Den godkendelse og støtte, der modtages for dette amerikanske bidrag til HL-LHC, vil give vores forskere mulighed for at forblive i spidsen for forskning på energigrænsen."

Amerikanske fysikere og ingeniører hjalp med at undersøge og udvikle to teknologier for at gøre denne opgradering mulig. Den første opgradering er til magneterne, der fokuserer på partiklerne. De nye magneter er afhængige af niob-tinledere og kan udøve en stærkere kraft på partiklerne end deres forgængere. Ved at øge kraften, partiklerne i hver stråle drives tættere sammen, muliggøre flere proton-proton-interaktioner på kollisionspunkterne.

Den anden opgradering er en særlig type acceleratorhulrum. Hulrum er strukturer inde i kolliderer, der formidler energi til partikelstrålen og driver dem fremad. Dette særlige hulrum, kaldet et krabbehulrum, bruges til at øge overlapningen af ​​de to stråler, så flere protoner har en chance for at kollidere.

"Denne godkendelse er en anerkendelse af 15 års forskning og udvikling startet af et amerikansk forskningsprogram og afsluttet med dette projekt, "sagde Giorgio Ambrosio, Fermilab-videnskabsmand og HL-LHC AUP-manager for magneter.

Magneter hjælper partiklerne med at gå rundt

Superledende niobium-tin-magneter er aldrig blevet brugt i en højenergi-partikelaccelerator som LHC. Disse nye magneter genererer et maksimalt magnetfelt på 12 tesla, cirka 50 procent mere end niobium-titanium magneterne i øjeblikket i LHC. Til sammenligning, et MR -magnetfelt spænder fra 0,5 til 3 tesla, og Jordens magnetfelt er kun 50 milliontedele af en tesla.

Der er flere trin til at skabe niobium-tin spoler til magneterne, og hver bringer sine udfordringer.

Hver magnet vil have fire sæt spoler, gør det til en quadrupole. Sammen leder spolerne den elektriske strøm, der producerer magnetens magnetfelt. For at gøre niobium-tin i stand til at producere et stærkt magnetfelt, spolerne skal bages i en ovn og vendes til en superleder. Den største udfordring med niobium-tin er, at den superledende fase er sprød. Ligesom ubehandlet spaghetti, et lille tryk kan klippe det i to, hvis spolerne ikke understøttes godt. Derfor, spolerne skal håndteres forsigtigt fra dette tidspunkt.

AUP kræver 84 spoler, fremstillet i 21 magneter. Fermilab vil fremstille 43 spoler, og Brookhaven National Laboratory i New York vil producere yderligere 41. Disse vil derefter blive leveret til Lawrence Berkeley National Laboratory for at blive formet til acceleratormagneter. Magneterne vil blive sendt til Brookhaven for at blive testet, før de sendes tilbage til Fermilab. Tyve succesfulde magneter indsættes i 10 beholdere, som derefter testes af Fermilab, og endelig sendt til CERN.

Med CD-2/3b godkendelse, AUP forventer at få den første magnet samlet i april og testet inden juli. Hvis alt går godt, denne magnet er berettiget til installation på CERN.

Krabbehulrum for flere kollisioner

Hulrum fremskynder partikler inde i en kollider, øge dem til højere energier. De danner også partiklerne til bundter:Når individuelle protoner bevæger sig gennem hulrummet, hver enkelt accelereres eller bremses, afhængigt af om de er under eller over en forventet energi. Denne proces sorterer hovedsageligt strålen i samlinger af protoner, eller partikelbundter.

HL-LHC sætter et spin på det typiske hulrum med sine krabbehulrum, som får deres navn fra, hvordan partikelbundterne ser ud til at bevæge sig, efter at de har passeret gennem hulrummet. Når en flok forlader hulrummet, det ser ud til at bevæge sig sidelæns, ligner, hvordan en krabbe går. Denne sidelæns bevægelse er faktisk et resultat af, at krabbehulen roterer partikelforbundene, når de passerer igennem.

Forestil dig, at en fodbold faktisk var en partikelbunke. Typisk, du vil smide en fodbold lige frem, med den spidse ende skåret gennem luften. Det samme er tilfældet for partikelbundter; de går normalt gennem en kollider som en fodbold. Lad os nu sige, at du ville sikre, at din fodbold og en anden fodbold ville kollidere i luften. I stedet for at smide det lige på, du vil smide fodbolden på siden for at maksimere målets størrelse og dermed risikoen for kollision.

Selvfølgelig, det er sværere at vende bundterne end at dreje en fodbold, da hver flok ikke er en enkelt, stift objekt.

For at gøre rotationen mulig, krabbehulrummene placeres lige før og efter kollisionspunkterne ved to af partikeldetektorerne ved LHC, kaldet ATLAS og CMS. Et vekslende elektrisk felt løber gennem hvert hulrum og "vipper" partikelflokken på sin side. At gøre dette, den forreste del af flokken får et "spark" til den ene side på vej ind og, før det går, den bageste sektion får et "spark" til den modsatte side. Nu, partikelbunden ligner en fodbold på siden. Når de to klaser mødes på sammenstødspunktet, de overlapper bedre, hvilket gør forekomsten af ​​en partikelkollision mere sandsynlig.

Efter kollisionspunktet, flere krabbehulrum retter de resterende bundter op, så de kan rejse gennem resten af ​​LHC uden at forårsage uønskede interaktioner.

Med CD-2/3b godkendelse, alle de nødvendige råvarer til konstruktion af hulrummene kan købes. To krabbehulrumsprototyper forventes ved udgangen af ​​2019. Når prototyperne er blevet certificeret, projektet vil søge yderligere godkendelse til produktion af alle hulrum bestemt til LHC -tunnelen.

Efter yderligere test, hulrummene sendes ud for at blive "klædt på":anbragt i et kølebeholder. Når de påklædte hulrum har opfyldt alle acceptkriterier, Fermilab sender alle 10 klædte hulrum til CERN.

"Det er let at glemme, at disse teknologiske fremskridt ikke kun gavner acceleratorprogrammer, "sagde Leonardo Ristori, Fermilab ingeniør og en HL-LHC AUP manager for krabbehulrum. "Acceleratorteknologi eksisterede på de første tv -skærme og bruges i øjeblikket i medicinsk udstyr som MR. Vi kan muligvis ikke forudsige, hvordan disse teknologier vil se ud i hverdagen, men vi ved, at den slags bestræbelser risler på tværs af industrier. "