Завершается прокладка кабелей для модернизации LHC

May 30, 2023

Чтобы лучше понять, как устроена наша Вселенная, исследователи модернизируют самый мощный ускоритель частиц в мире: Большой адронный коллайдер (БАК). Сегодня команда Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики завершила решающий этап модернизации, превратив более 2220 км (1367 миль) проводов в кабели для следующего поколения фокусирующих магнитов на БАКе.

Магниты будут самыми мощными в своем роде и значительно увеличат количество столкновений в двух детекторах общего назначения БАК: ATLAS и CMS. Больше столкновений дает больше данных, а это означает, что ученые могут лучше искать редкие и неоткрытые явления и исследовать некоторые из величайших загадок физики – такие как происхождение массы и природа темной материи и темной энергии.

«Сверхпроводящие магниты способствуют развитию науки на БАКе, и у нас есть выдающаяся команда из нескольких лабораторий, которая расширяет границы магнитных технологий», — сказал Сорен Престемон, директор Центра магнитных технологий Беркли. «Впервые мы будем использовать необычайные свойства сверхпроводника ниобий-олово в действующем коллайдере».

Первым шагом в создании этих магнитов является превращение сверхпроводящего провода в кабели, которые затем можно наматывать в магнитные катушки. Но изготовление этих кабелей — задача не из легких. Каждый из 111 кабелей представляет собой единую непрерывную деталь, состоящую из 40 отдельных жил проволоки, навитых на сердечник из нержавеющей стали. Если бы хотя бы один провод пересекся с другим где-нибудь по всей длине (обычно 470 метров), кабель был бы испорчен. Для этого потребовалось сотрудничество экспертов отдела ускорительных технологий и прикладной физики (ATAP) лаборатории Беркли и инженерного отдела.

«Мы подобны директору балетной труппы», — сказал Ян Понг, научный сотрудник ATAP, который возглавляет работу по прокладке кабелей. «У нас есть 40 танцоров — катушек с проволокой — которые совершают пируэты по кругу в течение примерно трех часов, и наша ответственность — следить за тем, чтобы ни одного пропущенного шага не было сделано в течение всего выступления».

Изготовление кабелей является частью проекта модернизации ускорителя (AUP), вклада США в проект БАК высокой светимости (HL-LHC). Четыре учреждения сотрудничают в разработке, производстве и тестировании магнитов для AUP: лаборатория Беркли, Брукхейвенская национальная лаборатория, Национальная лаборатория сильных магнитных полей Университета штата Флорида и Национальная ускорительная лаборатория Ферми, которая возглавляет проект.

«Хотя каждый этап процесса создания магнита имеет одинаковую важность, ни один из других шагов не может быть реализован без предварительного наличия высококачественных сверхпроводящих кабелей», — сказал Майк Наус, научный сотрудник ATAP и заместитель руководителя проекта.

С 2016 года лаборатория Беркли наматывает кабели AUP и отправляет их в многомесячное путешествие, чтобы они стали магнитами. Кабели сматываются и подвергаются термообработке в лабораториях Брукхейвена и Фермилаб, а затем возвращаются в лабораторию Беркли, где четыре катушки собираются в магниты, называемые квадруполями. В Фермилабе квадруполи объединяются в «крио-сборки», которые проходят испытания и отправляются в ЦЕРН, где они будут установлены во время длительного закрытия БАКа в конце этого десятилетия.

«Это очень высокотехнологичное оборудование, в котором задействованы люди со всей территории США», — сказал Жан-Франсуа Крото, научный сотрудник ATAP, занимавшийся контролем качества кабелей. «Впечатляет, что все эти лаборатории участвуют в создании чего-то, что ни одна из них не могла бы сделать в одиночку».

Изготовление новых магнитов из ниобия-олова позволяет создавать более сильные магнитные поля, чем в любых предыдущих магнитах из ниобия-титана. Магниты будут работать с силой примерно 12 тесла, что в несколько сотен тысяч раз сильнее магнитного поля Земли. Они будут работать совместно с более длинной версией квадрупольных магнитов, которые в настоящее время производятся в ЦЕРНе (где обмотка сверхпроводящего кабеля завершена на 70%).

Вместе фокусирующие магниты сожмут пучки частиц БАКа в плотные пучки, увеличивая вероятность взаимодействия частиц. После модернизации БАК высокой светимости сможет производить от 5 до 7,5 миллиардов протонных столкновений в секунду (по сравнению с нынешним 1 миллиардом), и ученые рассчитывают производить не менее 15 миллионов бозонов Хиггса в год.