БАК просыпается после серьезной хирургической операции

Первые шаги к пробуждению Большого адронного коллайдера были предприняты почти год назад. В апреле 2014 года физики выполнили первые операции процедуры перезапуска гигантской техники. «БАК просыпается после крупной хирургической операции», — заявил Фредерик Бордри, руководитель отдела технологий и ускорителей ЦЕРН.

3. Диагностические работы в туннеле БАК

Раньше работа над повышением потенциала велась много месяцев LHC. Прежде чем Коллайдер заработает в полном смысле этого слова, нужны были испытания ускорителей и других систем.

«Ускорительный комплекс должен быть введен в эксплуатацию за долгие месяцы до того, как LHC будет должным образом введен в эксплуатацию, поскольку после периода простоя необходимо выполнить много тщательных работ по техническому обслуживанию и проверке», — пояснил в онлайн-заявлении главный операционный директор LHC Майк Ламонт.

Тем более, что у ЦЕРН есть ряд других ускорителей, которые последовательно разрабатывались с 50-х годов. Команда старых акселераторов теперь обслуживает, в частности, для предварительного импульса частицам, затем «впрыскиваемым» в туннель LHC.

Большая часть работы, проделанной во время перерыва, была довольно рутинной. Шланги заменены, повреждены или изношены детали. Ведь часть компонентов использовалась еще с 1959 года. Другие модификации требовали использования новых технологий, таких как резонансные резонаторы (1), поддерживающие процесс ускорения луча.

Однако самым важным изменением стала установка 10 тыс. соединения в сверхпроводящих магнитных системах. Именно они позволят нам в этом году получить энергии на уровне 13 ТэВ (планируется 14 ТэВ, но в ЦЕРНе решили, что сначала магниты нужно «тренировать» с меньшей нагрузкой).

Магнитные разъемы и цепи были изготовлены с особой тщательностью (2) и тщательно проверены (3). Именно несовершенство припоя из серебра и олова стало причиной короткого замыкания в 2008 году, что впоследствии привело к серьезным повреждениям LHC и утечка нескольких тонн жидкого гелия.

2. Сварщик за работой на БАК

Начальное ускорение

Включение комплекса началось с источника протонов. Речь идет о той части, где атомы водорода лишены образования протонного пучка. Следующим шагом была перезагрузка устройства Linac2, линейного ускорителя, используемого для начального ускорения протонов.

4. Связь между кинетической энергией и скоростью протонов в ускорителях ЦЕРН

Затем луч проходит через другой ускоритель, называемый PS Booster, и этот конкретный сегмент был значительно улучшен во время перерыва. Он ускоряет протоны до энергии 1,4 ГэВ (4).

Следующим шагом в путешествии протонного пучка является протонный синхротрон (ПС), где он достигает энергии 25 ГэВ.

Его «запустили» в июне 2014 года. Он также сразу же был использован в научных экспериментах, таких как AIDA, основная цель которых — тестирование и разработка ускорительных технологий.

Летом на НПС также был введен в эксплуатацию комплекс оборудования ISOLDE (Isotope Separator On-Line DEvice), отвечающий за получение различных типов пучков радиоактивных ионов.

Два новых облучательных устройства IRRAD были готовы осенью и впервые использовались в пробных экспериментах в ноябре.

История протона, ускоренного в ускорительном комплексе, примерно такова: атомы водорода берутся из баллона, содержащего водород, и после ионизации ускоряются сначала в Бустере, затем в Протонном синхротроне (ПС), а затем в Протонном суперсинхротроне. (СПС).

Наконец, они отправляются в LHC (как по, так и против часовой стрелки), где они достигают номинальной энергии 20 ТэВ в течение 7 минут. При нормальных условиях работы связки будут циркулировать в трубках БАК в течение многих часов (5). Ускорение одиночных протонов — это всего лишь разминка.

Ускорительный комплекс разгоняет ионы свинца и тут начинаются действительно серьезные энергии. Ионы свинца получают из высокоочищенного образца свинца, нагретого до температуры около 550°С. Пары свинца ионизируются электронным лучом.

5. План комплекса для БАК

Образуются ионы с очень разным зарядовым состоянием, наиболее многочисленными из которых являются ионы Pb29+. Эти ионы отбираются и ускоряются до 4,2 МэВ/нуклон (энергия на нуклон) перед прохождением через углеродную фольгу, которая лишает их электронов и образуются в основном ионы Pb54+.

Пучок Pb54+ накапливается, а затем ускоряется до 72 МэВ/Вт в ионном кольце низкой энергии (LEIR), которое передает его на протонный синхротрон.

ПС ускоряет пучок до энергии 5,9 ГэВ/н и направляет его в ПС после прохождения второй фольги, где он полностью лишается электронов до образования Pb82+.

СПС разгоняет пучок до 177 ГэВ/н, затем направляет его в LHCчто ускоряет ее до 2,76 ТэВ/нуклон (6). Каждый пучок протонов вокруг БАК будет иметь энергию 7 ТэВ, поэтому при столкновении двух протонов энергия столкновения составит 14 ТэВ.

Ионы свинца имеют много протонов и все они вместе дают еще больше энергии: пучки ионов свинца будут иметь энергию столкновения 1150 ТэВ. Однако до сих пор ни одна из этих энергий не была получена в лаборатории. Часть протонов ПС уходит к более медленному — Антипротонному Замедлителю (АД).

Новая версия была готова летом 2014 года, а осенью приступила к работе. Перед выключением LHC Замедлитель антипротонов произвел 20 миллионов антипротонов за 100 секунд. И они используются в пяти различных научных экспериментах в ЦЕРНе. Новым является BASE, целью которого является изучение магнитного момента антипротонов.

Осень 2014 года также является временем ввода в эксплуатацию вышеупомянутого протонного суперсинхротрона (СПС), который представляет собой круговой ускоритель с окружностью 6 км, где пучок достигает 450 ГэВ. В настоящее время он используется в качестве коллайдера пучков протонов и антипротонов, ускорителя тяжелых ионов и для предварительного ускорения электронов и позитронов перед их вводом в ускоритель LEP.

Как коллайдер протонов и антипротонов в 80-х годах он подарил ученым ЦЕРНа одно из интереснейших открытий — первое наблюдение частиц W и Z, т.е. носителей слабых взаимодействий. В новой версии с ним будет проведен эксперимент под названием NA62, в котором будет изучаться распад положительных каонов (К-мезонов) на положительные пионы и пары нейтрино/антинейтрино.

6. Изображение столкновения ионов свинца, полученное детектором LHCb.

Детекторы ждут

Эффект от увеличения мощности заключается в большем количестве частиц, несущихся в пучках и сталкивающихся друг с другом. Это влечет за собой необходимость модификации детекторов, особенно ATLAS (тороидальный аппарат LHC) – тороидальный детектор общего назначения (7) – и CMS (компактный мюонный соленоид), детектор общего назначения, разработанный с особым упором на идентификацию мюонов и получение высокой разрешающей способности их измерения всходов.

Запланированный график перезапуска комплекса LHC в ЦЕРНе:

Апрель 2014

Начало процедуры, активация ускорителей, тесты и технический осмотр.

Июнь 2014

Перезапуск бустера в протонном синхротроне (ПС), затем перезапуск самого ПС.

Июль 2014

Включение и тестирование Протонного суперсинхротрона (СПС), запуск программы испытаний в установках ИЗОЛДЕ и ПС.

Август 2014

Запуск исследований антивещества, запуск антипротонного замедлителя.

Октябрь 2014

Перезапуск программ медицинского осмотра в SPS.

Ноябрь 2014

Начало «закачки» протонов в «сердце» БАК.

Декабрь 2014

Магниты БАК готовы возобновить работу Коллайдера после завершения испытаний, заполнив установку жидким гелием и охладив ее до температуры, близкой к целевой.

Февраль 2015

Запуск первого пучка частиц в основное кольцо БАК и ускорение его до энергии, предусмотренной планом второй части исследований на Коллайдере.

Весна 2015 г.

Начало физических исследований на Большом адронном коллайдере, запланированное на второй этап программы.

Конечно, приборы еще будут работать и будут эксперименты, о которых мы не раз слышали, такие как: LHCb (Большой адронный коллайдер красота) — детектор мезонов B; ALICE (A Large Ion Collider Experiment) — детектор для наблюдения результатов столкновений ионов; TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement) — программа для тестирования полных сечений, упругого рассеяния и дифракционной диссоциации; LHCf (Большой адронный коллайдер вперед) — моделирование космических лучей в лаборатории; MoEDAL (Детектор монополей и экзотики на БАК) — эксперимент по поиску медленных и сильно ионизирующих стабильных экзотических частиц, например, массивных суперсимметричных частиц или магнитных монополей.

С начала 2015 г. пучок протонов должен пройти собственно туннели БАК, а с весны 2015 г. начнутся основные эксперименты, запланированные на второй этап работ. Большой адронный коллайдер.

Однако на этапе испытаний речь идет не о лобовом столкновении ускоренных частиц с частицами, прилетающими с противоположного направления.

Вместо этого луч попадает в 21,6-тонный блок из графита, алюминия и меди. Это называется дампом луча.

На этапе тестирования идея состоит в том, чтобы захватить энергию лучей, прежде чем они смогут нанести какой-либо значительный ущерб электромагнитам. LHC.

Во время этой тестовой процедуры «выброса мусора» в результате столкновений образуются мюоны, элементарные частицы, родственные электронам, но более тяжелые, чем они. Их могут уловить детекторы на основном канале Коллайдера. Это не негативное явление.

Наоборот, физики считают, что это дает хорошую возможность откалибровать детекторы до того, как комплекс «Коллайдер» будет полностью введен в эксплуатацию. Если известно точное время луча, можно настроить часы LHC. О начале нормальной работы LHC, которая должна ускорить пучки и столкнуть их с энергиями 13 ТэВ, а затем также 14 ТэВ, обычно сообщается как «весна 2015 года».

В различных утверждениях упоминается период времени с февраля по апрель. Изучив запуск LHC 1.0 в 2008 году, физики ЦЕРН довольно осторожно устанавливают точные даты.