Het U.S. Large Hadron Collider Accelerator Upgrade Project is de door Fermilab geleide samenwerking van Amerikaanse laboratoria die, in samenwerking met CERN en een tiental andere landen, werkt aan een upgrade van de Large Hadron Collider. LHC AUP begon iets meer dan twee jaar geleden en, op 11 februari het kreeg belangrijke goedkeuringen, zodat het project kan overgaan in de volgende stappen.

Projecten van het Amerikaanse ministerie van Energie ondergaan een reeks belangrijke beoordelingen en goedkeuringen, aangeduid als "Kritieke Beslissingen" die elk project moet ontvangen. Eerder deze maand, de AUP kreeg goedkeuring voor zowel kritieke beslissingen 2 als 3b van DOE. CD-2 keurt de prestatie-baseline goed:de reikwijdte, kosten en planning—voor de AUP. Om in dat schema te blijven, CD-3b stelt het project in staat om tegen eind 2019 de fondsen en goedkeuring te krijgen die nodig zijn om basismaterialen aan te schaffen en definitieve ontwerpmodellen van twee technologieën te produceren.

de LHC, een deeltjesversneller met een omtrek van 17 mijl aan de Frans-Zwitserse grens, slaat twee tegenovergestelde bundels protonen tegen elkaar om andere deeltjes te produceren. Onderzoekers gebruiken de deeltjesgegevens om te begrijpen hoe het universum op subatomaire schaal werkt.

In de huidige configuratie, gemiddeld, er vinden elke seconde een verbazingwekkende 1 miljard botsingen plaats in de LHC. De nieuwe technologieën die voor de LHC zijn ontwikkeld, zullen dat aantal met een factor 10 verhogen. Deze toename van de helderheid - het aantal proton-proton-interacties per seconde - betekent dat aanzienlijk meer gegevens beschikbaar zullen zijn voor experimenten in de LHC. Het is ook de reden achter de nieuwe naam van de botser, de High Luminosity LHC.

"De noodzaak om verder te gaan dan de toch al uitstekende prestaties van de LHC ligt aan de basis van de wetenschappelijke methode, " zei Giorgio Apollinari, Fermilab wetenschapper en HL-LHC AUP projectmanager. "De goedkeuring en steun die we hebben gekregen voor deze Amerikaanse bijdrage aan de HL-LHC, zullen onze wetenschappers in staat stellen om voorop te blijven lopen in onderzoek op het gebied van energie."

Amerikaanse natuurkundigen en ingenieurs hielpen bij het onderzoek en de ontwikkeling van twee technologieën om deze upgrade mogelijk te maken. De eerste upgrade is naar de magneten die de deeltjes focussen. De nieuwe magneten vertrouwen op niobium-tin-geleiders en kunnen een sterkere kracht op de deeltjes uitoefenen dan hun voorgangers. Door de kracht te vergroten, de deeltjes in elke bundel worden dichter bij elkaar gedreven, waardoor meer proton-proton-interacties op de botsingspunten mogelijk zijn.

De tweede upgrade is een speciaal type versnellerholte. Holten zijn structuren in versnellers die energie aan de deeltjesbundel geven en deze voortstuwen. Deze speciale holte, een krabholte genoemd, wordt gebruikt om de overlap van de twee bundels te vergroten zodat meer protonen een kans hebben om te botsen.

"Deze goedkeuring is een erkenning van 15 jaar onderzoek en ontwikkeling, gestart door een Amerikaans onderzoeksprogramma en voltooid door dit project, " zei Giorgio Ambrosio, Fermilab-wetenschapper en HL-LHC AUP-manager voor magneten.

Magneten helpen de deeltjes rond te gaan

Supergeleidende niobium-tin-magneten zijn nog nooit gebruikt in een hoogenergetische deeltjesversneller zoals de LHC. Deze nieuwe magneten zullen een maximaal magnetisch veld van 12 tesla genereren, ongeveer 50 procent meer dan de niobium-titaniummagneten die momenteel in de LHC zitten. Ter vergelijking, het magnetische veld van een MRI varieert van 0,5 tot 3 tesla, en het magnetisch veld van de aarde is slechts 50 miljoenste van één tesla.

Er zijn meerdere fasen om de niobium-tinspoelen voor de magneten te maken, en elk brengt zijn uitdagingen met zich mee.

Elke magneet heeft vier sets spoelen, waardoor het een quadrupool wordt. Samen geleiden de spoelen de elektrische stroom die het magnetische veld van de magneet produceert. Om niobium-tin in staat te stellen een sterk magnetisch veld te produceren, de spoelen moeten in een oven worden gebakken en worden omgezet in een supergeleider. De grote uitdaging bij niobium-tin is dat de supergeleidende fase bros is. Net als bij ongekookte spaghetti, een kleine hoeveelheid druk kan het in tweeën breken als de spoelen niet goed worden ondersteund. Daarom, de spoelen moeten vanaf dit punt voorzichtig worden behandeld.

De AUP vraagt ​​om 84 spoelen, gefabriceerd in 21 magneten. Fermilab zal 43 coils produceren, en Brookhaven National Laboratory in New York zal nog eens 41 produceren. Die zullen dan worden geleverd aan Lawrence Berkeley National Laboratory om te worden gevormd tot versnellermagneten. De magneten worden naar Brookhaven gestuurd om te worden getest voordat ze terug naar Fermilab worden verscheept. Twintig succesvolle magneten worden in 10 containers gestoken, die vervolgens worden getest door Fermilab, en uiteindelijk verscheept naar CERN.

Met CD-2/3b goedkeuring, AUP verwacht de eerste magneet in april in elkaar te hebben gezet en in juli te testen. Als alles goed gaat, deze magneet komt in aanmerking voor installatie bij CERN.

Krabholtes voor meer botsingen

Holten versnellen deeltjes in een versneller, hen stimuleren tot hogere energieën. Ze vormen de deeltjes ook in bundels:terwijl individuele protonen door de holte reizen, elk wordt versneld of vertraagd, afhankelijk van of ze onder of boven een verwachte energie zijn. Dit proces sorteert de bundel in wezen in verzamelingen protonen, of deeltjesbundels.

HL-LHC geeft een draai aan de typische holte met zijn krabholten, die hun naam ontlenen aan hoe de deeltjesbundels lijken te bewegen nadat ze door de holte zijn gegaan. Wanneer een bos de holte verlaat, het lijkt zijwaarts te bewegen, vergelijkbaar met hoe een krab loopt. Deze zijwaartse beweging is eigenlijk het gevolg van het feit dat de krabholte de deeltjesbundels roteert terwijl ze er doorheen gaan.

Stel je voor dat een voetbal eigenlijk een deeltjesbos was. Typisch, je een voetbal recht vooruit wilt gooien, met het puntige uiteinde dat door de lucht snijdt. Hetzelfde geldt voor deeltjesbundels; ze gaan normaal gesproken door een botser zoals een voetbal. Stel nu dat u ervoor wilde zorgen dat uw voetbal en een andere voetbal in de lucht zouden botsen. In plaats van het er recht op af te gooien, je zou de voetbal op zijn kant willen gooien om de grootte van het doel en dus de kans op een botsing te maximaliseren.

Natuurlijk, het draaien van de trossen is moeilijker dan het draaien van een voetbal, aangezien elke bos geen enkele is, stijf voorwerp.

Om de rotatie mogelijk te maken, de krabholten worden vlak voor en na de botsingspunten geplaatst bij twee van de deeltjesdetectoren bij de LHC, genaamd ATLAS en CMS. Een wisselend elektrisch veld loopt door elke holte en "kantelt" de deeltjesbundel op zijn kant. Om dit te doen, het voorste deel van het peloton krijgt een "kick" opzij op de weg naar binnen en, voordat het vertrekt, het achterste gedeelte krijgt een "kick" naar de andere kant. Nutsvoorzieningen, het deeltjesbos ziet eruit als een voetbal op zijn kant. Wanneer de twee trossen elkaar ontmoeten op het aanvaringspunt, ze overlappen beter, waardoor het optreden van een deeltjesbotsing waarschijnlijker wordt.

Na het aanvaringspunt, meer krabholten maken de resterende trossen recht, zodat ze door de rest van de LHC kunnen reizen zonder ongewenste interacties te veroorzaken.

Met CD-2/3b goedkeuring, alle grondstoffen die nodig zijn voor de constructie van de holtes kunnen worden gekocht. Tegen eind 2019 worden twee prototypes met krabholte verwacht. Zodra de prototypes zijn gecertificeerd, het project zal verdere goedkeuring vragen voor de productie van alle holtes die bestemd zijn voor de LHC-tunnel.

Na verder testen, de holtes worden opgestuurd om "aangekleed" te worden:geplaatst in een koelvat. Zodra de aangeklede holtes aan alle acceptatiecriteria voldoen, Fermilab zal alle 10 aangeklede holtes naar CERN verzenden.

"Het is gemakkelijk om te vergeten dat deze technologische vooruitgang niet alleen ten goede komt aan acceleratorprogramma's, " zei Leonardo Ristori, Fermilab-ingenieur en een HL-LHC AUP-manager voor krabholten. "Versnellingstechnologie bestond al in de eerste tv-schermen en wordt momenteel gebruikt in medische apparatuur zoals MRI's. We kunnen misschien niet voorspellen hoe deze technologieën in het dagelijks leven zullen verschijnen, maar we weten dat dit soort inspanningen over de sectoren heen golfen."