Το CERN αποσυνδέει τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων για την αναβάθμιση του HiLumi

Σύνοψη

• Το CERN ξεκίνησε την επίσημη αποξήλωση των μαγνητών εστίασης του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC).
• Η πολύπλοκη διαδικασία εντάσσεται στο πλαίσιο της τρίτης μεγάλης παύσης λειτουργίας (Long Shutdown 3) του συστήματος.
• Οι παλαιότεροι μαγνήτες νιοβίου-τιτανίου θα αντικατασταθούν σταδιακά από νέας γενιάς υπεραγώγιμους μαγνήτες νιοβίου-κασσιτέρου.
• Ο βασικός στόχος είναι η μετάβαση στο High-Luminosity LHC (HiLumi LHC), το οποίο θα προσφέρει 40% ισχυρότερα μαγνητικά πεδία και κατακόρυφη αύξηση των συγκρούσεων σωματιδίων.
• Η πλήρης τοποθέτηση και λειτουργία των νέων συστημάτων στα πειράματα ATLAS και CMS αναμένεται να ολοκληρωθεί στις αρχές του 2029, δίνοντας τεράστια ώθηση στην έρευνα της σωματιδιακής φυσικής.

Η πολυαναμενόμενη διαδικασία αποσύνδεσης κρίσιμων τμημάτων του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) ξεκίνησε επίσημα στις εγκαταστάσεις του CERN, σηματοδοτώντας την έναρξη μιας τεράστιας μηχανικής και τεχνολογικής μετάβασης που θα διαρκέσει αρκετά χρόνια. Οι ερευνητικές ομάδες προχώρησαν στην κοπή της πρώτης διασύνδεσης μαγνητών την εβδομάδα που μας πέρασε, ανοίγοντας τον δρόμο για την αντικατάσταση του εξοπλισμού που βρίσκεται στον πυρήνα των πειραμάτων ATLAS και CMS. 

Η επιχείρηση εντάσσεται στο ευρύτερο πλαίσιο της τρίτης μεγάλης διακοπής λειτουργίας του επιταχυντή, η οποία είναι ευρέως γνωστή στην επιστημονική κοινότητα ως Long Shutdown 3 (LS3), και έχει ως απώτερο σκοπό την προετοιμασία των εγκαταστάσεων για την επόμενη ημέρα της φυσικής υψηλών ενεργειών μέσω του προγράμματος High-Luminosity LHC (HiLumi LHC).

Ο κρίσιμος ρόλος των μαγνητών εστίασης και η ανατομία του LHC

Το σύστημα του LHC απαρτίζεται από χιλιάδες μαγνήτες διαφορετικών κατηγοριών, οι οποίοι είναι κατανεμημένοι κατά μήκος της υπόγειας κυκλικής σήραγγας των 27 χιλιομέτρων, αναλαμβάνοντας ο καθένας έναν εξαιρετικά εξειδικευμένο ρόλο στον έλεγχο των σωματιδίων. Μεταξύ των διπόλων, των εξαπόλων, των οκταπόλων και των δεκαπόλων, ξεχωρίζουν τα λεγόμενα «εσωτερικά τρίδυμα», τα οποία αποτελούν συστοιχίες τριών τετραπολικών μαγνητών τοποθετημένων εκατέρωθεν των τεσσάρων κύριων πειραμάτων του επιταχυντή.

Αυτοί οι τετραπολικοί μαγνήτες αναλαμβάνουν την κρίσιμη αποστολή να εστιάσουν τις δέσμες των σωματιδίων με απόλυτη ακρίβεια, συμπιέζοντάς τες στον μέγιστο δυνατό βαθμό ελάχιστα κλάσματα του δευτερολέπτου προτού συγκρουστούν στο εσωτερικό των ανιχνευτών. Ο βαθμός της συμπίεσης είναι απόλυτα συνυφασμένος με την πιθανότητα αλληλεπίδρασης των σωματιδίων, καθιστώντας τον συγκεκριμένο εξοπλισμό τον βασικότερο πυλώνα για την αύξηση της φωτεινότητας (luminosity) του επιταχυντή, δηλαδή του συνολικού αριθμού των συγκρούσεων που καταγράφονται σε ένα συγκεκριμένο χρονικό παράθυρο. Η αύξηση της φωτεινότητας μεταφράζεται απευθείας σε εκθετικά μεγαλύτερο όγκο πρωτογενών δεδομένων για τους ερευνητές, επιτρέποντάς τους να εντοπίσουν εξαιρετικά σπάνια φυσικά φαινόμενα τα οποία μέχρι σήμερα παρέμεναν αόρατα.

Η μετάβαση στην εποχή του High-Luminosity LHC

Η αναβάθμιση προς το HiLumi LHC απαιτεί τον πλήρη παροπλισμό των υφιστάμενων εσωτερικών τριδύμων, τα οποία χρονολογούνται από τη φάση κατασκευής του LHC και εγκαταστάθηκαν μεταξύ των ετών 2005 και 2007. Ο Γενικός Διευθυντής του CERN, Mark Thomson, επισκέφθηκε πρόσφατα το Σημείο 1 του LHC όπου στεγάζεται το πείραμα ATLAS, θέλοντας να υπογραμμίσει τη σημασία του ορόσημου που σηματοδοτεί η έναρξη των εργασιών αποξήλωσης.

Οι νέοι μαγνήτες που θα αναλάβουν το βαρύ φορτίο της εστίασης των δεσμών αποτελούν το απαύγασμα πολυετούς έρευνας και ανάπτυξης στον τομέα της εφαρμοσμένης υπεραγωγιμότητας. Αντί για τα κράματα νιοβίου-τιτανίου που χρησιμοποιούνται μέχρι σήμερα, ο νέος εξοπλισμός αξιοποιεί πρωτοποριακά υπεραγώγιμα πηνία νιοβίου-κασσιτέρου. Αυτή η θεμελιώδης αλλαγή στα υλικά κατασκευής επιτρέπει τη δημιουργία ασύλληπτα ισχυρών μαγνητικών πεδίων που αγγίζουν τα 11.3 Tesla, καταγράφοντας μια εντυπωσιακή αύξηση της τάξης του 40% σε σύγκριση με τις δυνατότητες των παλαιότερων μαγνητών.

Σύμφωνα με τον επικεφαλής συντονισμού του LS3, Jean-Philippe Tock, ο πρώτος τετραπολικός μαγνήτης των νέων τριδύμων αναμένεται να παραδοθεί στην υπόγεια σήραγγα στις αρχές του 2029, ενώ το συνολικό εγχείρημα περιλαμβάνει την εγκατάσταση 16 νέων κρυοστατών και 28 κρυογονικών διατάξεων. Από τις αρχές Σεπτεμβρίου του 2026, οι τεχνικές ομάδες εργάζονται πυρετωδώς για την αφαίρεση 28 παλαιών υπεραγώγιμων μαγνητών γύρω από τα σημεία καταγραφής ATLAS και CMS, χειριζόμενες τεράστια εξαρτήματα υπό συνθήκες απόλυτης ακρίβειας.

Η στρατηγική διαχείριση των πειραμάτων ALICE και LHCb

Είναι σημαντικό να σημειωθεί πως η αναβάθμιση του εξοπλισμού δεν εφαρμόζεται οριζόντια σε όλους τους σταθμούς του επιταχυντή. Τα πειράματα ALICE και LHCb, λόγω της ριζικά διαφορετικής φύσης των επιστημονικών τους προγραμμάτων και των εναλλακτικών μεθόδων λειτουργίας που απαιτούν, δεν έχουν ανάγκη την ίδια δραματική αύξηση στην άμεση φωτεινότητα. Κατά συνέπεια, οι μηχανικοί αποφάσισαν να διατηρήσουν τα υφιστάμενα εσωτερικά τρίδυμα σε αυτούς τους δύο σταθμούς, προχωρώντας μόνο σε στοχευμένες βελτιώσεις των περιφερειακών συστημάτων ώστε να εξασφαλιστεί πως αμφότερα τα πειράματα θα μπορέσουν να αξιοποιήσουν την ευρύτερη αύξηση της απόδοσης του LHC, χωρίς να απαιτηθεί η πλήρης αντικατάσταση του πυρήνα τους.

Ο υπεύθυνος του έργου HiLumi LHC, Markus Zerlauth, περιέγραψε τη διαδικασία ως μια ιστορική σκυταλοδρομία ανάμεσα σε διαφορετικές γενιές καινοτομίας, τονίζοντας πως ο εξοπλισμός που υπηρέτησε πιστά την επιστήμη για σχεδόν δύο δεκαετίες παραδίδει πλέον τη θέση του σε τεχνολογίες αιχμής που υπόσχονται να επαναπροσδιορίσουν τα όρια της ανθρώπινης γνώσης.