Европейская организация ядерных исследований CERN сделала важный шаг в модернизации крупнейшего в мире ускорителя частиц. В начале июля специалисты успешно вывели новое поколение сверхпроводящих магнитов на полный рабочий ток, достигнув расчётных параметров для будущей модернизации Большого адронного коллайдера.
Речь идёт о проекте High-Luminosity Large Hadron Collider, или HiLumi LHC, который станет модернизированной версией действующего Большого адронного коллайдера. Его запуск запланирован на 2030 год, после чего ускоритель сможет обеспечивать значительно больше столкновений частиц. Это позволит физикам собирать гораздо большие массивы данных и искать редкие явления, которые могут указывать на существование новой физики за пределами Стандартной модели.
Испытания прошли 8 июля на установке Inner Triplet String, предназначенной для проверки нового комплекса оборудования. Разработанные для проекта квадрупольные магниты достигли расчётного рабочего тока 16 230 ампер. Эти магниты будут сильнее фокусировать пучки протонов непосредственно перед их столкновением. Благодаря этому увеличится светимость ускорителя — параметр, определяющий количество столкновений частиц, происходящих в ходе экспериментов.
Новые квадрупольные магниты значительно превосходят внутренние триплетные магниты из ниобий-титанового сплава, которые используются в Большом адронном коллайдере сейчас. В них применяются сверхпроводящие катушки из ниобий-олова, позволяющие создавать магнитное поле напряжённостью 11,3 тесла. Это примерно на 35 процентов больше, чем у магнитов нынешнего поколения. Кроме того, диаметр рабочего отверстия магнитов был увеличен с 70 до 150 миллиметров. Более широкая апертура позволит точнее фокусировать пучки частиц и увеличивать число столкновений во время экспериментов. Именно рост частоты столкновений является одной из главных целей модернизации ускорителя.
Особенно важным результатом испытаний стало то, что магниты достигли полного рабочего тока без перехода сверхпроводящего материала из сверхпроводящего состояния в обычное состояние. Сверхпроводящие магниты обычно требуют серии повторных циклов включения, называемых тренировкой, прежде чем они смогут стабильно работать на расчётном токе. Во время таких циклов механические изменения внутри конструкции могут приводить к потере сверхпроводимости при относительно низких значениях тока. По мере стабилизации внутренней структуры магниты способны выдерживать всё более высокие рабочие токи. Новые магниты сохранили результаты предыдущей тренировки и продемонстрировали так называемую хорошую память.
«Хорошая память является одним из ключевых требований к характеристикам магнитов ускорителя, поскольку она сокращает время ввода оборудования в эксплуатацию, расход криогенных ресурсов и задержки в работе», — подчеркнула Сусана Искьердо Бермудес, руководитель крупной магнитной установки CERN.
Необходима масштабная работа по модернизации существующей установки до уровня Большого адронного коллайдера высокой светимости (HL-LHC), часть которой уже начата, а в ближайшие годы планируется продолжить. CERNИспытания также подтвердили работоспособность всей экспериментальной установки Inner Triplet String. Специалисты CERN успешно вывели на рабочие токи все 17 электрических цепей, включая дипольный магнит разделения пучков. Этот магнит будет использоваться для разведения двух пучков частиц после их столкновений внутри будущих экспериментальных установок HiLumi LHC. Расчётного рабочего тока он достиг после нескольких циклов, в ходе которых происходила кратковременная потеря сверхпроводимости. Корректирующие магнитные цепи также достигли расчётных значений тока как во время индивидуальной работы, так и при совместной эксплуатации всех систем.
В ходе испытаний была проверена и система защиты магнитов. При необходимости она способна безопасно отвести до 38 мегаджоулей накопленной магнитной энергии в жидкий гелий, охлаждённый до температуры −271,3 градуса Цельсия.
«Успешный вывод всех цепей на рабочие токи ознаменовал завершение этапа аппаратного ввода Inner Triplet String в эксплуатацию», — отметил руководитель операций IT String Самер Яммин.
По его словам, испытательная кампания позволила собрать огромный объём данных, которые теперь анализируются для более глубокого понимания взаимодействия всех компонентов системы. Исследователи изучают работу сверхпроводящих магнитов, систем холодного питания, преобразователей энергии, систем обнаружения и защиты от потери сверхпроводимости, криогенного оборудования, вакуумных систем, средств управления и систем выравнивания.
Полученные результаты помогут оптимизировать процесс ввода модернизированного ускорителя в эксплуатацию и его дальнейшую работу.
Следующий этап испытаний запланирован на сентябрь. В ходе второй эксплуатационной кампании специалисты сосредоточатся на проверке процедур ввода оборудования в эксплуатацию и инструментов анализа, а также продемонстрируют воспроизводимость работы всей интегрированной системы.
После завершения модернизации HiLumi LHC должен значительно увеличить количество столкновений частиц, регистрируемых физиками. Это позволит учёным исследовать редкие процессы и искать новые явления, которые могут раскрыть физику за пределами Стандартной модели.