Zusammenfassung:
Das Europäische Zentrum für Kernforschung (CERN) hat offiziell die wichtigste Upgrade-Runde des Large Hadron Collider (LHC) gestartet. Mit der Trennung der ersten Magnetverbindung begann die Demontage- und Austauschphase des weltgrößten Teilchenbeschleunigers und ebnete den Weg für die zukünftige Ära des „High-Brightness Large Hadron Collider“ (HiLumi LHC).
Der Large Hadron Collider ist 27 Kilometer lang und umgibt die unterirdische Grenze zwischen Frankreich und der Schweiz. Im Inneren sind Tausende verschiedener Arten supraleitender Magnete eingesetzt, darunter Dipolmagnete, Quadrupolmagnete, Hexapolmagnete, Oktupolmagnete und Dekapolmagnete. Diese Magnete haben gemeinsam die wichtige Aufgabe, den Teilchenstrahl zu leiten, zu kontrollieren und zu komprimieren.
Der kritischste Gerätetyp wird als „innerer dreipoliger Magnetsatz“ bezeichnet. Sie bestehen aus drei Quadrupolmagneten, die auf beiden Seiten der vier großen Experimentiergeräte des Large Hadron Collider installiert sind. Seine Aufgabe besteht darin, den Teilchenstrahl auf einen möglichst kleinen Bereich zu komprimieren, bevor die Teilchen in den Detektor gelangen und kollidieren.
Je stärker der Teilchenstrahl komprimiert wird, desto höher ist die Kollisionswahrscheinlichkeit. Die Häufigkeit, mit der diese Kollisionen auftreten, wird als „Helligkeit“ bezeichnet. Bei Experimenten zur Teilchenphysik gilt: Je höher die Helligkeit, desto mehr Daten können gewonnen werden, was Wissenschaftlern dabei hilft, die grundlegendsten physikalischen Gesetze des Universums eingehender zu untersuchen.
Um künftige Betriebsziele mit hoher Helligkeit zu erreichen, müssen die vorhandenen inneren dreipoligen Magnete durch eine neue Generation leistungsstärkerer Geräte ersetzt werden. Dieser Vorgang ist eines der Kernprojekte im dritten langfristigen Stillstandswartungsplan (LS3).
Diesen Monat hat das Ingenieurteam den ersten Satz Magnetverbindungen abgeschnitten und damit den offiziellen Beginn der Magnetaustauscharbeiten markiert. Mark Thomson, Generaldirektor des CERN, unternahm ebenfalls eine Sonderreise zum ersten Punkt des LHC, wo sich das ATLAS-Experimentiergebiet befindet, um Zeuge dieses wichtigen Knotens zu werden.
Laut Projektplan sollen künftig 16 Kryostatsysteme und 28 kryogene Komponenten im Large Hadron Collider verbaut werden. Der erste der neuen Quadrupolmagnete soll voraussichtlich Anfang 2029 in den Tunnel transportiert und installiert werden.
Das größte Highlight dieses Upgrades ist die neue Generation der supraleitenden Magnettechnologie.
Die derzeit in Betrieb befindlichen inneren Dreipolmagnete verwenden hauptsächlich supraleitende Niob-Titan-Materialien, während neue Geräte in der Zukunft fortschrittlichere supraleitende Niob-Zinn-Spulen verwenden werden. Mit diesem Material kann der neue Magnet eine magnetische Feldstärke von bis zu 11,3 Tesla erzeugen, was etwa 40 % höher ist als bei bestehenden Geräten.
Durch stärkere Magnetfelder können Teilchenstrahlen weiter komprimiert werden, was die Häufigkeit von Kollisionen deutlich erhöht. Dies ist das Kernziel des High-Luminosity Large Hadron Collider-Programms.
Den Entwurfsindikatoren zufolge wird das verbesserte System es den beiden großen Experimenten ATLAS und CMS ermöglichen, weitaus mehr Daten zu erhalten als im aktuellen Stadium. In den nächsten Jahren hoffen Forscher, diese Daten nutzen zu können, um die Eigenschaften des Higgs-Bosons genauer zu messen, nach Anzeichen dunkler Materie zu suchen und neue physikalische Phänomene jenseits des Standardmodells zu erforschen.
Es ist erwähnenswert, dass nicht in allen Versuchsbereichen der Austausch des inneren Tripolmagneten erforderlich ist.
Da die ALICE- und LHCb-Experimente andere Forschungsziele und Betriebsmethoden verfolgen als ATLAS und CMS, werden ihre bestehenden inneren Tripolmagnete weiterhin beibehalten. Diese Experimente werden jedoch noch begleitenden Verbesserungen unterliegen, um künftige Gesamthelligkeitsverbesserungen voll auszunutzen.
Seit Anfang September hat das Ingenieurteam große Beschleunigerkomponenten in der Nähe von ATLAS und CMS schrittweise abgebaut. Zu den diesmal entfernten Geräten gehörten 28 supraleitende Magnete, darunter das dreipolige System im Kern des Modernisierungsprojekts.
CERN gab an, dass dieses Upgrade eines der komplexesten groß angelegten Modifikationsprojekte in der Geschichte des Large Hadron Collider ist. Mit dem offiziellen Beginn der Abbauarbeiten wird dieses wissenschaftliche Gerät, das der Menschheit bei der Entdeckung des Higgs-Bosons geholfen hat, nach und nach in eine neue Ära hoher Helligkeit eintreten und in den nächsten Jahrzehnten leistungsfähigere experimentelle Möglichkeiten für die physikalische Grundlagenforschung bieten.
Kommentare