De grootste deeltjesversneller op aarde, de Large Hadron Collider, wordt de komende jaren nog effectiever. En veeleisender voor de experimenten. Deel 1 van een zomerserie over werk aan de high luminosity LHC.
De versneller op CERN waarmee in 2012 het higgsdeeltje werd ontdekt, de Large Hadron Collider, is sinds begin deze zomer niet meer. Eind juni gingen de laatste protonenbundels rond en registreerden de detectoren hun voorlopig laatste protonbotsingen. Daarna werd de sleutel van de versneller overgedragen aan team High Luminosity LHC.
Dat HL-LHC-team, plus een hele troepenmacht aan engineers, technici en bouwers, moet in 2030 een sterk verbeterde versie van de LHC-versneller opleveren. Tienmaal effectiever, is de inzet van het high luminosity project. Ruwweg 1,2 kilometer van de 27 kilometer grote ondergrondse deeltjesbotser zal volledig worden vervangen door nieuwe techniek.
Segmenten
In de IT String Facility, een van de talloze werkplaatshallen op het CERN-terrein onder de rook van Genève, is al een jaar of twee een glimp te zien van de toekomstige CERN-versneller. In een bijna honderd meter lange goot staan aan elkaar gekoppeld drie van de typische buisvormige bundel-magneten waarmee deeltjesversnellers worden gebouwd. Deze zijn voor de HiLumi.
De lichtblauwe, fel gele en oranjerode segmenten zijn zogeheten inner triplet bundel-focusmagneten, die later vlakbij de grote ATLAS en CMD detectoren zullen worden geplaatst. In essentie zijn het supergeleidende spoelen die ervoor zorgen dat een bundel geladen deeltjes zoals protonen in een zo compact mogelijke lijn door de versneller vliegen.
In de huidige LHC was de bundel ongeveer een millimeter dik, verdeeld in pakketjes of bunches. Bij de botsing van twee van die deeltjespakketjes raken gemiddeld 60 protonen elkaar, anderhalf miljard botsingen per seconde.
In de Hilumi LHC persen speciale magneetsystemen de pakketjes deeltjes een factor 200 samen tot een bundel van ongeveer 5 micrometer dik. Dat is dunner dan een haar. In de botsende pakketjes raken tot 200 protonen elkaar, tot 8 miljard botsingen per seconde.
Gerekend over de levensduur van tien jaar van de HiLumi LHC levert die strakkere bundelfocus tot tienmaal meer protonprotonbotsingen op waarmee fysici diep in de deeltjeswereld kunnen kijken.
Overvloed
In totaal gaat de machine bijvoorbeeld naar verwachting zo’n 360 miljoen higgsdeeltjes produceren in de protonbotsingen, tegen 55 miljoen die de LHC in achttien jaar leverde.
Met die overvloed aan gebeurtenissen worden veel verfijndere analyses mogelijk van het higgsmechanisme. Daarnaast kunnen in de data ook zeldzame deeltjes en deeltjesprocessen zichtbaar worden, die tot nog toe in de ruis verborgen bleven.
De crux van die enorme verbeteringen is een veel sterker magneetveld dat de bundel samenknijpt en de protonenstroom in een ijzeren greep houdt ondanks hun onderlinge afstoting. Het sterke veld is te danken aan de toepassing van een nieuw supergeleidend materiaal, niobium-tin, dat diepgekoeld veel sterkere elektrische stromen aankan dan het nu gangbare niobium-titanium. Meer stroom door een spoel geeft een sterker magneetveld.
Begin juli meldde CERN een succesvolle test van de volledige opstelling onder realistische omstandigheden. Diepgekoeld tot 1.9 Kelvin (271 graden onder nul) werd de beoogde maximale stroom van 16.230 ampère in de spoelen bereikt. Dat geeft een magneetveld van ruim 11 Tesla, ongeveer 35 procent sterker dan de oude magneten.
Training
Het recordvermogen van de magneten was lang niet het enige doel van de realistische test. In het experiment werd ook naar het gedrag van de magneten gekeken. Versnellermagneten moeten bijvoorbeeld getraind worden om tot hun maximale prestaties te komen, ondermeer doordat de spoelen door de enorme magnetische krachten vervormen en zich inwendig moeten zetten. Bij de tests in de IT String Facility werden de procedures daarvoor uitgebreid beproefd.
De nieuwe inner triplet bundel-magneten zijn de bron van de toekomstige high luminosity versneller op CERN, maar het is tegelijk ook lastiger om zulke strak gefocusseerde bundels exact met elkaar in botsing te brengen.
Om die reden worden de bundels vlak voor de botsingen met een speciale magneet iets opgetild, zodat ze elkaar over een groter oppervlak zullen treffen en meer deeltjesbotsingen leveren. Deze zomer zijn ook de eerste van deze zogeheten crab cavities op CERN gearriveerd. De komende jaren zullen ze worden ingebouwd in de nieuwe versneller.
Extra tunnels
Aan het HiLumi-programma is al sinds 2011 op CERN gewerkt, eerst op papier en in uitgebreide tests en experimenten, daarna met de bouw van magneten en andere hardware. Op twee plaatsen in de versnellerring, een in Zwitserland en een in Frankrijk, zijn extra tunnels en nieuwe bovengrondse faciliteiten voor koeling en hoogspanning gebouwd. Vanaf nu worden delen van de LHC-versneller weggehaald uit de tunnels en vervangen door de nieuwe systemen.
Ook een aantal oudere LHC-magneten met kuren zullen worden vervangen. Onlangs zijn alle magneten in de tunnel getest op stabiliteit en hun stopgedrag, quenching genoemd. Daarnaast worden ook nog andere delen van het uitgebreide versnellercomplex in Genève in deze Long Shutdown 3 onderhanden genomen. Volgens de planning moet de operatie in 2030 zijn afgerond, waarna de fysici de sleutels van de versneller weer in handen krijgen.
Scheepje
Eenvoudig is de vernieuwingsoperatie van de CERN-versneller zeker niet. Bij de bouw van de versneller en de detectoren werd dat destijds wel vergeleken met het bouwen van een scheepje in een fles. Grote onderdelen moesten door dunne schachten en tunnels in complexe ondergrondse installaties worden ingebouwd. Nu moeten die zorgvuldig uit elkaar worden gehaald en vervangen door een nieuwe generatie technologie.
In een detector als ATLAS, zo groot als het Paleis op de Dam in een tunnel op honderd meter onder de grond, moeten niet alleen beetje bij beetje de detectoronderdelen worden vervangen, ook moeten er kilometers bekabeling worden verlegd of geïnstalleerd, net als een nieuw koelsysteem met CO2 en nieuwe datasystemen. De werkzaamheden aan de detector zijn na het stoppen van de LHC-bundels in juni direct begonnen.
Volgende aflevering: Wat gaat HiLumi LHC de natuurkunde opleveren?
