Десятилетний проект по созданию новых магнитов для LHC завершился успехом

План-схема шагов по разработке всё более сложных прототипов квадрупольных магнитов в рамках проекта LARP. Сейчас коллаборация находится на этапах HQ и LQS. Изображение из статьи arXiv:1108.1625

Большой адронный коллайдер только готовится к выходу на расчетную энергию и светимость, но физики и инженеры уже давно заглядывают далеко вперед. Сейчас планируется, что LHC проработает в таком режиме примерно до 2020 года, а затем его ожидает серьезная модернизация. Если всё пойдет по плану, то в течение пары-тройки лет будут обновлены многие компоненты ускорителя и детекторов, что позволит в целых 10 раз поднять светимость коллайдера. Такой режим работы, который должен продлиться до 2030-х годов, получил название «LHC на высокой светимости» (High-Luminosity LHC, сокращенно HL-LHC).

Уже сейчас ясно, что многие элементы магнитной системы ускорителя будут просто не приспособлены для столь высокой светимости. Внутренняя пустая часть магнита — сквозь нее проходит вакуумная труба, по которой летят протоны, — будет слишком узкой для нового пучка. Значит, это пространство (апертуру) требуется расширить. Далее, те магниты, которые будут находиться вблизи детекторов (например, квадрупольные фокусирующие магниты), будут получать гораздо большую дозу жесткой радиации, чем сейчас: ведь повышенная светимость означает и повышенную частоту столкновений, в том числе и паразитных. Это значит, что новые магниты должны быть более радиационно стойкими, а также держать сверхпроводимость в большем интервале температур, чем сейчас. Это, в свою очередь, означает, что сверхпроводником там должен быть не ниобий-титан, который используется сейчас, а какой-то другой материал. И наконец, это всё должно достигаться не в ущерб однородности и величине магнитного поля в магните; напротив, магнитное поле желательно усилить.

Уже это перечисление позволяет понять, насколько технически сложная задача встала перед специалистами. Неудивительно, что к решению ее они подошли со всей серьезностью. В 2004 году в США был запущен специальный проект LARP (U.S. LHC Accelerator Research Program), в который вошли сотрудники четырех крупных американских исследовательских центров по физике элементарных частиц. Одной из ключевых задач проекта как раз и стало создание квадрупольного фокусирующего магнита, подходящего для HL-LHC. Этот амбициозный проект был рассчитан на 10 лет, примерно до 2014 года; к этому времени планировалось не только разработать технологии, но и создать первый действующий прототип, удовлетворяющий всем заявленным целям.

Опустим все промежуточные этапы и достижения, о них можно узнать по публикациям коллаборации LARP. Упомянем только одну деталь. Сложность поставленной задачи не позволила сразу же приступать к созданию требуемого прототипа. Вначале был составлен список из целей попроще, и они достигались одна за другой (см. рисунок). На каждом шаге улучшалась какая-то одна характеристика магнитов, и только под самый конец, приобретя новый опыт, физики приступили к созданию серьезных прототипов.

И вот совсем недавно, проведя тестирование прототипа под номером HQ02a, коллаборация смогла ответственно заявить: поставленные десятилетие назад цели достигнуты. Сообщения об этом появились на сайтах лабораторий — участников проекта (см. заметку в журнале Symmetry и сообщение на сайте Берклиевской национальной лаборатории).

Апертура HQ02a составляет 12 см против 7 см у нынешних квадруполей на LHC, сверхпроводящий кабель там сделан из Nb₃Sn (ниобий-олово), который обладает более широким температурным диапазоном для сверхпроводимости. Наконец, магнитное поле он позволяет создавать целых 12 Тесла против 8 Тесла сейчас, что автоматически означает и более сильный градиент поля — эта величина характеризует силу фокусировки магнита. Способность держать сильное поле пригодится и в еще более отдаленной перспективе — для целого ряда проектов адронных коллайдеров на еще большие энергии протонов.

Таким образом, реалистичность технологии доказана, и можно теперь сфокусироваться на ее адаптации для промышленного производства. А в качестве вывода можно сказать, что перед нами типичный пример, как десятилетие сосредоточенных исследований в такой казалось бы чисто технической области сделало HL-LHC — а вместе с ним и будущие проекты адронных коллайдеров — на шаг ближе к реальности. Из множества таких шагов и складывается реализация прорывных научных установок в современной физике частиц.