2019-03-01 06:56:01
大型强子对撞机升级项目跃升前进

美国大型强子对撞机加速器升级项目是由费米实验室牵头的美国实验室合作项目,该项目与欧洲核子研究中心和其他十几个国家合作,正在努力升级大型强子对撞机。 LHC AUP在两年多前开始,并在2月11日获得了关键批准,允许项目过渡到下一步。

美国能源部的项目经过一系列重要的审查和批准,被称为每个项目必须得到的“关键决策”。本月早些时候,AUP获得了美国能源部的关键决定2和3b的批准。 CD-2批准AUP的性能基准 - 范围,成本和时间表。为了保持这一时间表,CD-3b允许项目获得购买基础材料所需的资金和批准,并在2019年底之前生产两种技术的最终设计模型。

LHC是法国 - 瑞士边界上一个17英里长的粒子加速器,它将两个相对的质子束撞在一起,产生其他粒子。研究人员使用粒子数据来了解宇宙如何在亚原子尺度上运作。

在目前的配置中,平均而言,大型强子对撞机每秒会发生惊人的10亿次碰撞。为大型强子对撞机开发的新技术将使该数量增加10倍。光度的增加 - 每秒质子 - 质子相互作用的数量 - 意味着在大型强子对撞机的实验中可以获得更多的数据。这也是对撞机新名称High-Luminosity LHC背后的原因。

“需要超越LHC已经出色的性能是科学方法的基础,”Fermilab科学家和HL-LHC AUP项目经理Giorgio Apollinari说。 “美国对HL-LHC的贡献得到了认可和支持,这将使我们的科学家能够保持在能源前沿研究的最前沿。”

美国物理学家和工程师帮助研究和开发了两种技术,使这种升级成为可能。第一次升级是聚焦粒子的磁铁。新的磁铁依赖于铌锡导体,并且可以对颗粒施加比其前身更强的力。通过增加力,每个光束中的粒子被驱动得更靠近在一起,从而在碰撞点处实现更多的质子 - 质子相互作用。

第二次升级是一种特殊类型的加速器腔。空腔是碰撞器内部的结构,它们为粒子束提供能量并向前推进它们。这个特殊的空腔,称为蟹腔,用于增加两个光束的重叠,使更多的质子有碰撞的机会。

“这项批准是对美国研究计划开始并由该项目完成的15年研究和开发的认可,”Fermilab科学家和HL-LHC AUP磁铁经理Giorgio Ambrosio说。

磁铁帮助颗粒“旋转”

超导铌 - 锡磁体从未用于像LHC这样的高能粒子加速器。这些新磁铁将产生12特斯拉的最大磁场,比目前大型强子对撞机中的铌钛磁铁大约多50%。相比之下,MRI的磁场范围为0.5至3特斯拉,地球的磁场仅为一个特斯拉的百万分之五。

为磁体创建铌 - 锡线圈有多个阶段,每个阶段都带来了挑战。

每个磁铁将有四组线圈,使其成为四极杆。线圈一起传导产生磁体磁场的电流。为了使铌 - 锡能够产生强磁场,线圈必须在烘箱中烘烤并变成超导体。铌锡的主要挑战是超导相是脆性的。与未经烹煮的意大利面相似,如果线圈没有得到很好的支撑,少量的压力可以将其折成两半。因此,从这一点开始必须精细地处理线圈。

AUP需要84个线圈,制成21个磁铁。费米实验室将生产43个卷材,纽约布鲁克海文国家实验室将生产另外41个卷材。然后将其交付给劳伦斯伯克利国家实验室,形成加速器磁铁。这些磁铁将被送往布鲁克海文进行测试,然后再运回费米实验室。将20个成功的磁铁插入10个容器中,然后由Fermilab进行测试,最后运送到CERN。

在获得CD-2 / 3b批准后,AUP预计将在4月份组装第一块磁铁并在7月份进行测试。如果一切顺利,这块磁铁将有资格在欧洲核子研究中心安装。

螃蟹腔可以产生更多碰撞

空腔加速对撞机内的粒子,将它们提升到更高的能量。它们还将颗粒形成束:当各个质子穿过腔时,每个质子根据它们是否低于或高于预期能量而加速或减速。该过程基本上将光束分类为质子或粒子束的集合。

HL-LHC通过其蟹腔旋转典型的腔体,这些腔体的名称取决于粒子束在穿过腔体后是如何移动的。当一束从腔中出来时,它似乎向侧面移动,类似于螃蟹行走的方式。这种侧向运动实际上是蟹腔在粒子束穿过时旋转的结果。

想象一下,足球实际上是一群粒子。通常情况下,你想直接向前投球,尖端切入空中。粒子束也是如此;他们通常像足球一样穿过对手。现在让我们说你想确保你的足球和另一个足球在半空中碰撞。你不想直接扔掉它,而是想把足球放在一边,以最大化目标的大小,从而有可能发生碰撞。

当然,转动球会比转动足球更难,因为每一束都不是一个单一的刚性物体。

为了使旋转成为可能,蟹腔位于LHC的两个粒子探测器(称为ATLAS和CMS)的碰撞点之前和之后。交变电场穿过每个空腔并在其侧面“倾斜”粒子束。为了做到这一点,束的前部在进入途中向一侧“踢”,并且在它离开之前,后部向相反侧“踢”。现在,粒子束看起来就像一个足球。当两个束在碰撞点处相遇时,它们更好地重叠,这使得更容易发生粒子碰撞。

在碰撞点之后,更多的蟹腔会使剩余的束缚变直,因此它们可以穿过LHC的其余部分而不会引起不必要的相互作用。

通过CD-2 / 3b批准,可以购买建造空腔所需的所有原材料。预计到2019年底将有两个蟹腔原型。一旦原型获得认证,该项目将寻求进一步批准生产用于LHC隧道的所有空腔。

在进一步测试之后,将腔体送出“修整”:放置在冷却容器中。一旦穿着的蛀牙通过所有验收标准,费米实验室将把所有10个穿着的蛀牙运送到欧洲核子研究中心。

“人们很容易忘记这些技术进步并不仅仅对加速器计划有益,”费米实验室工程师Leonardo Ristori和蟹腔的HL-LHC AUP经理说道。 “加速器技术存在于第一个电视屏幕中,目前用于像MRI这样的医疗设备。我们可能无法预测这些技术在日常生活中会如何出现,但我们知道这些努力会影响各个行业。”

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