Over vijftien maanden moet de grootste deeltjesversneller ter wereld voor het eerst op de maximale energie gaan draaien. Op CERN staat het jaar 2021 in het teken van de geleidelijke herstart in maart 2022 van de LHC-versneller, na drie jaar intensieve werkzaamheden.
De zogeheten Long Shutdown 2 (LS2) van de LHC en haar injectorcomplex begon twee jaar geleden, vroeg in 2019. Sindsdien hebben ingrijpende upgrades in het versnellercomplex en belangrijke onderhoudswerkzaamheden geresulteerd in een verjongd versnellercomplex met injectoren die geschikt zijn voor een decennium of meer aan hoge-helderheidsbundelproductie. In Run 3 gaat de LHC in drie jaar tijd tweemaal zoveel botsingen leveren als in alle voorgaande jaren samen, is de verwachting.
Voorlopig hoogtepunt van het LHC-programma was de ontdekking in 2012 van het higgsdeeltje, de langgezochte sluitsteen van het standaardmodel van de deeltjesfysica. Veel LHC-onderzoek is sindsdien gericht op het verder verkennen van dit cruciale deeltje, ook bij Nikhef.
Eind vorig jaar werd de symbolische sleutel van de Super Proton Synchrotron (SPS) aan de gebruikers overhandigd, de belangrijkste beginversneller van de LHC. Dat gebeurde maar iets later dan de planning. ‘Dat lukte dankzij het harde werk, de toewijding en de flexibiliteit van velen’, zegt hoofd van de CERN-versnellergroep Rende Steerenberg.
Hij benadrukt de grondigheid waarmee speciale maatregelen werden genomen om de veiligheid van het personeel tijdens de COVID-19-pandemie te waarborgen. ‘Een groot aantal fysici, ingenieurs en technici streefden er dag in dag uit naar om de upgrade en consolidatie van het versnellercomplex veilig en efficiënt af te ronden na de voorjaarsvergrendeling.’
Super synchrotrons
In de 27 kilometer lange LHC zelf werden ondergronds alle 1232 dipoolmagneetverbindingen geopend en hun elektrische isolatie geconsolideerd, zodat de versneller nu zonder gevaar op de volle energie van 7 TeV kan werken. De LHC werd in 2008 opgeleverd, maar raakte in september van dat jaar beschadigd na kortsluiting in het systeem, die tot een explosie leidde. Na reparaties werd de machine voor alle zekerheid nog niet bij maximale botsingsenergie gebruikt.
Het cryogene team koelde daartoe de eerste van de acht sectoren van de LHC tot de operationele temperatuur van 1,9 K op 15 november, terwijl vijf andere sectoren parallel werden gekoeld en de volledige machine werd ingesteld om tegen het voorjaar koud te zijn.
De eerste bundel van de nieuwe Linac 4 werd op 7 december geïnjecteerd in de verbeterde Proton Synchrotron Booster (PSB). De PSB ondergaat een inbedrijfstellingsperiode voordat de bundel op 1 maart van dit jaar in de Proton Synchrotron (PS) wordt geïnjecteerd. Daarna is het PS aan de beurt om in bedrijf te worden gesteld, voordat de bundel op 12 april naar het Super Proton Synchrotron (SPS) wordt gestuurd.
Na de overdracht aan het elektrische kwaliteitsteam voor de laatste elektrische tests, zullen er voedingstests en een lange training plaatsvinden om de LHC-magneten in staat te stellen velden te ondersteunen die groter zijn dan de velden die nodig zijn tijdens Run 2, toen de energie 6,5 TeV bedroeg. De testbundels zullen eind september 2021 in de LHC circuleren, slechts vier maanden later dan gepland voor de COVID-19 pandemie.
Detectorwerk
Parallel aan het werk aan de versnellerinfrastructuur van CERN werken experimentele fysici hard aan belangrijke upgrades van de detectoren die anticiperen op de strenge eisen voor het activeren en reconstrueren van gebeurtenissen bij de opgewaardeerde LHC. De renovatie van de triggerelektronica voor de vloeistof-argoncalorimeter van de ATLAS-detector vordert snel en de bouw van de twee nieuwe New Small Wheels van de muondetector moet in oktober 2021 voltooid zijn. Nikhef is partner in het ATLAS-programma.
Nu een complexe upgrade van het muonsysteem van de CMS-detector is voltooid, wordt binnenkort een nieuwgebouwde bundelpijp in de caverne geplaatst, gevolgd door de vernieuwde pixeldetector met een nieuwe binnenlaag; daarna volgen magneetupgrades en afschermingsconsolidatie.
In de ALICE-detector, een tweede Nikhef-partner, is de tijdsprojectiekamer opnieuw geïnstalleerd, en wordt er gewerkt aan de installatie van de nieuwe muon forward tracker van de detector. In het eerste kwartaal van 2021 zal een nieuw 10 GPixel-binnendetector worden geïnstalleerd.
Ondertussen zijn de volgende stappen voor een belangrijke vernieuwing van de LHCb-detector de montage van nieuwe vertex-locatormodules en de eerste gevoelige detectoronderdelen van de nieuwe ring-imaging Cherenkov-detector in de eerste maanden van 2021. Nikhef bouwt mee aan de nieuwe vertex-detector van LHCb.
Elders op het CERN-complex zullen diverse experimenten met antimaterie al in de zomer van 2021 weer van start gaan.
Er zijn geen wijzigingen aangebracht in het LHC-schema na 2022. Na de voltooiing van Run 3 zal de derde long shutdown begin 2025 van start gaan voor de LHC, en begin 2026 voor de injectorketen. Medio 2027 moet de LHC-versneller in bedrijf komen als hoge-intensiteitsmachine, de HL-LHC.