In een meerjarige inspanning waarbij drie nationale laboratoria uit de hele Verenigde Staten betrokken waren, onderzoekers hebben met succes een krachtige nieuwe magneet gebouwd en getest op basis van een geavanceerd supergeleidend materiaal. Het apparaat van acht ton - ongeveer net zo lang als een oplegger voor een vrachtwagen - vestigde een record voor de hoogste veldsterkte die ooit is geregistreerd voor een versneller-focusmagneet en verhoogt de norm voor magneten die werken in hoogenergetische deeltjesversnellers.

Het Fermilab van het ministerie van Energie, Brookhaven National Laboratory en Lawrence Berkeley National Laboratory ontworpen, de nieuwe magneet gebouwd en getest, een van de 16 die ze zullen leveren voor gebruik in de High-Luminosity Large Hadron Collider in het CERN-laboratorium in Europa. De 16 magneten, samen met nog eens acht geproduceerd door CERN, dienen als "optica" voor geladen deeltjes:ze bundelen protonenbundels in een minuscuul, oneindig kleine plek als ze een botsing naderen in twee verschillende deeltjesdetectoren.

Het ingrediënt dat deze in de VS geproduceerde magneten onderscheidt, is niobium-tin - een supergeleidend materiaal dat sterke magnetische velden produceert. Dit zullen de eerste niobium-tin quadrupoolmagneten zijn die ooit in een deeltjesversneller zullen werken.

Net als de huidige Large Hadron Collider, zijn opvolger met hoge helderheid zal bundels van protonen die rond de 17-mijlsring rondvaren met bijna de snelheid van het licht tegen elkaar slaan. De HL-LHC zal een extra stootje hebben:het zal 10 keer de botsingen opleveren die mogelijk zijn bij de huidige LHC. Met meer botsingen komen er meer mogelijkheden om nieuwe fysica te ontdekken.

En de nieuwe scherpstelmagneten van de machine zullen hem helpen die sprong in geleverde helderheid te bereiken.

"We hebben aangetoond dat deze eerste quadrupoolmagneet zich succesvol en volgens ontwerp gedraagt, op basis van de meerjarige ontwikkelingsinspanningen die mogelijk zijn gemaakt door investeringen van DOE in deze nieuwe technologie, " zei Fermilab-wetenschapper Giorgio Apollinari, hoofd van het U.S. Accelerator Upgrade Project, die het in de VS gevestigde focusmagneetproject leidt.

"Het is een zeer geavanceerde magneet, echt op de rand van magneettechnologie, " zei Brookhaven National Laboratory wetenschapper Kathleen Amm, de Brookhaven-vertegenwoordiger voor het Accelerator Upgrade Project.

Wat het tot een succes maakt, is het indrukwekkende vermogen om te focussen.

Focus, magneten, focus

In cirkelbotsers, twee bundels deeltjes racen in tegengestelde richtingen rond de ring. Een ogenblik voordat ze het aanvaringspunt bereiken, elke bundel gaat door een reeks magneten die de deeltjesbundels in een klein, oneindig kleine plek, ongeveer zoals lenzen lichtstralen tot een punt concentreren. Nu zo dicht opeengepakt met deeltjes als de magneten ze kunnen krijgen - breken! - botsen de stralen.

De wetenschappelijke vruchtbaarheid van die smash hangt af van hoe dicht de straal is. Hoe meer deeltjes op het botsingspunt worden gepropt, hoe groter de kans op deeltjesbotsingen.

Je krijgt die dicht opeengepakte stralen door de focus van de magneet te verscherpen. Een manier om dat te doen is door de lens te verbreden. Denk aan licht:

"Als je het licht van de zon probeert te focussen met een vergrootglas op een klein punt, u een 'krachtiger' vergrootglas wilt hebben, " zei Ian Pong, Berkeley Lab-wetenschapper en een van de control accountmanagers.

Een groter vergrootglas focust meer van de zonnestralen dan een kleiner vergrootglas. Echter, de lichtstralen aan de buitenrand van de lens moeten scherper worden afgebogen om hetzelfde brandpunt te benaderen.

Of denk aan een groep boogschutters die pijlen naar een appel schieten:er blijven meer pijlen plakken als de boogschutters van bovenaf schieten, onder en aan weerszijden van de appel dan wanneer ze op één paal staan, vanuit dezelfde positie schieten.

Het analogon van het vergrootglas en de boogschutterarray is de opening van de magneet - de opening van de doorgang die de straal inneemt terwijl deze door het inwendige van de magneet loopt. Als de deeltjesbundel breed mag beginnen voordat hij wordt scherpgesteld, meer deeltjes zullen aankomen bij het beoogde brandpunt - het midden van de deeltjesdetector.

Het Amerikaanse team heeft de opening van de LHC-focusmagneet vergroot tot 150 millimeter, meer dan het dubbele van het huidige diafragma van 70 millimeter.

Maar natuurlijk, een groter diafragma is niet genoeg. Er is nog steeds de kwestie van het daadwerkelijk focussen van de straal, wat betekent dat een dramatische verandering in de grootte van de straal wordt geforceerd, van breed naar smal, tegen de tijd dat de straal het botsingspunt bereikt. En dat vraagt ​​om een ​​uitzonderlijk sterke magneet.

"De magneet moet de straal krachtiger samendrukken dan de huidige magneten van de LHC om de helderheid te creëren die nodig is voor de HL-LHC, ' zei Apollonari.

Om aan de vraag te voldoen, wetenschappers ontwierpen en bouwden een gespierde focusmagneet, dat berekenen, bij de vereiste opening, het zou een veld van meer dan 11,4 tesla moeten genereren. Dit is hoger dan het huidige veld van 7,5 tesla dat wordt gegenereerd door de op niobium-titanium gebaseerde LHC quadrupoolmagneten. (Voor experts op het gebied van versnellers:het doel van de geïntegreerde helderheid van de HL-LHC is 3, 000 omgekeerde femtobarns.)

In januari, de eerste HL-LHC-focusmagneet van het drie-lab-team leverde boven de doelprestaties, een veld van 11,5 tesla bereiken en vijf uur lang continu op deze sterkte draaien, net zoals het zou werken wanneer de High-Luminosity LHC in 2027 opstart.

"Deze magneten zijn momenteel de magneten met het hoogste veldfocus in versnellers zoals ze nu bestaan, "Amm zei. "We duwen echt naar hogere velden, waardoor we hogere lichtsterkten kunnen bereiken."

De nieuwe focusmagneet was een triomf, dankzij niobium-tin.

Niobium-tin voor de overwinning

De focusmagneten in de huidige LHC zijn gemaakt van niobium-titanium, waarvan algemeen wordt erkend dat de intrinsieke prestatielimiet bij 8 tot 9 teslas is bereikt in acceleratortoepassingen.

De HL-LHC heeft magneten nodig met ongeveer 12 tesla's, ongeveer 250, 000 keer sterker dan het aardmagnetisch veld aan het oppervlak.

"Dus wat doe je? Je moet naar een andere dirigent gaan, ' zei Apollonari.

Experts op het gebied van versnellermagneet experimenteren al tientallen jaren met niobiumtin. Elektrische stroom die door een niobium-tin supergeleider stroomt, kan magnetische velden van 12 teslas en hoger opwekken, maar alleen als het niobium en tin, eenmaal gemengd en warmtebehandeld om supergeleidend te worden, intact kan blijven.

"Als ze eenmaal gereageerd hebben, het wordt een prachtige supergeleider die veel stroom kan dragen, maar dan wordt het ook broos, ' zei Apollonari.

Beroemd broos

"Als je het te veel buigt, zelfs een klein beetje, als het eenmaal een gereageerd materiaal is, het klinkt als cornflakes, "Amm zei. "Je hoort het echt breken."

Door de jaren heen, wetenschappers en ingenieurs hebben ontdekt hoe ze niobium-tin supergeleider kunnen produceren in een vorm die bruikbaar is. Garanderen dat het de ster van een HL-LHC-focusmagneet zou zijn, was een andere uitdaging.

Berkeley, De experts van Brookhaven en Fermilab hebben het voor elkaar gekregen. Hun assemblageproces is een delicaat, omvatte een operatie om de kwetsbaarheid van niobium-tin te balanceren tegen de enorme veranderingen in temperatuur en druk die het ondergaat, aangezien het de belangrijkste speler wordt in een toekomstige botsingsmagneet.

Het proces begint met draden met niobiumfilamenten rond een tinnen kern, geleverd door een externe fabrikant. De draden worden vervolgens op de juiste manier in Berkeley tot kabels verwerkt. De teams in Brookhaven en Fermilab winden deze kabels vervolgens op tot rollen, voorzichtig om te voorkomen dat ze overmatig worden vervormd. Ze verwarmen de spoelen in een oven in drie temperatuurtrappen, een behandeling die meer dan een week duurt. Tijdens de warmtebehandeling reageert het tin met de filamenten om het brosse niobium-tin te vormen.

Na in de oven te hebben gereageerd, het niobium-tin is nu op zijn kwetsbaarst, dus het wordt met zorg behandeld terwijl het team het geneest, het inbedden in een hars om een ​​vaste stof te worden, sterke spoel.

Die spoel is nu klaar om te dienen als een van de vier polen van de focusmagneet. Het proces duurt enkele maanden voor elke pool voordat de volledige magneet kan worden gemonteerd.

"Omdat deze spoelen zeer krachtig zijn wanneer ze worden geactiveerd, er wordt veel kracht uitgeoefend om de magneet uit elkaar te duwen, ' zei Pong. 'Zelfs als de magneet niet vervormt, op dirigentniveau zal er een spanning zijn, waarvoor de prestatie van niobium-tin erg gevoelig is. Het beheer van de stress is zeer, heel belangrijk voor deze hoogveldmagneten."

Warmtebehandeling van de magneetspoelen - een van de tussenstappen in het samenstel van de magneet - is ook een subtiele wetenschap. Elk van de vier spoelen van een HL-LHC-focusmagneet weegt ongeveer een ton en moet gelijkmatig worden warmtebehandeld - van binnen en van buiten.

"Je moet de temperatuur goed beheersen. Anders geeft de reactie ons niet de beste prestaties, ' zei Pong. 'Het is een beetje zoals koken. Het is niet alleen om de temperatuur in een deel van de spoel te bereiken, maar in de hele spoel, eind tot eind, boven naar beneden, het hele ding."

En de vier spoelen moeten precies op elkaar worden uitgelijnd.

"Je hebt een zeer hoge veldprecisie nodig, dus we moeten een zeer hoge precisie hebben in hoe ze deze uitlijnen om een ​​goede uniformiteit van het magnetische veld te krijgen, een goed quadrupoolveld, "Amm zei.

De fijne techniek die in de Amerikaanse HL-LHC-magneten wordt gebruikt, is in de loop van decennia verscherpt, met een uitbetaling die de gemeenschap van deeltjesversnellers energie geeft.

"Dit zal het eerste gebruik zijn van niobium-tin in versneller-focusmagneten, dus het zal best spannend zijn om te zien hoe zo'n complexe en geavanceerde technologie wordt geïmplementeerd in een echte machine, "Amm zei.

"We droegen altijd het gewicht van de verantwoordelijkheid, de hoop in de laatste 10, 20 jaar - en als je verder wilt gaan, 30, 40 jaar - gericht op deze magneten, over de ontwikkeling van dirigenten, al het werk, ' zei Pong. 'Eindelijk, we komen eraan, en we willen er echt voor zorgen dat het een blijvend succes wordt."

De vele bewegende delen van een versnellersamenwerking

Zorgen voor blijvend succes heeft zowel te maken met de operationele choreografie als met de voortreffelijke techniek. Het uitvoeren van logistiek die jaren en een continent omspant, vereist nauwgezette coördinatie.

"Plannen en roosteren zijn erg belangrijk, en ze zijn behoorlijk uitdagend, ' zei Pong. 'Bijvoorbeeld, transportcommunicatie:we moeten ervoor zorgen dat dingen goed worden beschermd. Anders kunnen deze dure artikelen beschadigd raken, dus we moeten problemen voorzien en voorkomen. Vertragingen hebben ook een impact op het hele project, dus we moeten ervoor zorgen dat componenten tijdig naar de bestemming worden verzonden."

Amm, Apollinari en Pong erkennen dat het team van drie laboratoria de uitdagingen goed heeft aangegaan, functioneren als een goed geoliede machine.

"De bij Fermilab ontwikkelde technologieën, Brookhaven en Berkeley hielpen de originele LHC tot een succes te maken. En nu weer, deze technologieën uit de VS helpen CERN echt om succesvol te zijn, "Amm zei. "Het is een droomteam, en het is een eer om daar deel van uit te maken."

Het in de VS gevestigde Accelerator Upgrade Project voor de HL-LHC, waarvan het focusseermagneetproject uit één stuk bestaat, begon in 2016, voortgekomen uit een voorgaand R&D-programma uit 2003 dat zich richtte op soortgelijke projecten op het gebied van versnellertechnologie.

Vanaf nu tot ongeveer 2025, de Amerikaanse laboratoria zullen doorgaan met het bouwen van de grote, kolossale buizen, beginnend met fijne strengen van niobium en tin. Ze zijn van plan om in 2022 de eerste van 16 magneten te leveren, plus vier reserveonderdelen, naar CERN. De installatie zal in de drie volgende jaren plaatsvinden.

"Mensen zeggen dat 'touchdown' een heel mooi woord is om de landing van een vliegtuig te beschrijven, omdat je een enorm metalen voorwerp hebt dat honderden tonnen weegt, neerdalen uit de lucht, heel zachtjes een betonnen landingsbaan aanraken, "zei Pong. "Deze magneten zijn niet veel anders dan dat. Onze magneten zijn enorme supergeleidende apparaten, het focussen van kleine onzichtbare deeltjesbundels die dicht bij de lichtsnelheid door de boring vliegen. Het is heel magisch."

De magie begint in 2027, wanneer de High-Luminosity LHC online komt.

"We doen vandaag het werk dat toekomstige jonge onderzoekers over 10 of 20 jaar zullen gebruiken om de grens van menselijke kennis te verleggen, net zoals het gebeurde toen ik een jonge onderzoeker was hier bij Fermilab, met behulp van de Tevatron, "Apollinari zei. "Het is een generatiewisseling van het stokje. We moeten de machines maken voor de toekomstige generaties, en met deze technologie, wat we voor de toekomstige generatie mogelijk kunnen maken, is natuurlijk veel."