Злополучная секция 16L2 пока под контролем

Рис. 1. Дополнительный внешний соленоид, охватывающий трубу коллайдера в районе секции 16L2, который помог удержать потери пучков на приемлемом уровне. Изображение из доклада F. Bordry LHC status and plans towards HL-LHC на конференции LHCP 2018

Когда прошлым летом Большой адронный коллайдер вышел на рекордные темпы набора данных, слаженную работу неожиданно нарушила серьезная техническая проблема, изрядно потрепавшая нервы специалистам. В одной из секций коллайдера под номером 16L2 при высокой интенсивности пучков резко подскакивало давление остаточных газов. Это приводило к рассеянию протонов, росту энерговыделения за считанные миллисекунды, быстрой дестабилизации пучка — и электронная система безопасности давала сигнал на сброс пучков. По косвенным признакам техники поняли, что, скорее всего, во время зимней паузы в начале 2017 года в эту часть вакуумной трубы просочился небольшой объем воздуха и изморозью осел на стенках. До поры до времени он себя не проявлял. Однако, когда коллайдер запустили на пределе интенсивности, побочные процессы, сопровождающие циркуляцию пучков, а именно энерговыделение и паразитные электронные облака, приводили к испарению этой изморози, что, в конечном счете, и становилось причиной потери пучков.

Поскольку вскрывать вакуумную систему охлажденного коллайдера нельзя, а на цикл прогрев-заморозка ушло бы несколько месяцев, ускорительщики методом проб и ошибок подобрали такую конфигурацию сгустков в пучке, при которой злополучная секция 16L2 не показывала свой нрав. Они при запуске сгустков в коллайдер чередовали 8 полноценных сгустков и 4 пустых места, и, как выяснилось, при такой последовательности опасные процессы не развивались. Кроме того, вокруг этой секции был установлен вспомогательный внешний соленоид, своеобразная магнитная «заплатка», которая помогала держать секцию под контролем (рис. 1). В таком режиме коллайдер проработал до конца года, набрав запланированную статистику. Однако было ясно, что перед новым запуском в 2018 году надо что-то предпринять.

В середине декабря 2017 года техники прогрели весь трехкилометровый сегмент 1–2 до температуры 90 кельвин, а затем охладили обратно до 20К (промежуточная температура, поддерживаемая в коллайдере во время зимней паузы). Цель этой манипуляции — испарить как можно больше намерзшего газа и устранить его вакуумными насосами. Давление в секции 16L2 действительно заметно поднялось при нагреве. По оценкам техников, за две недели было выпарено и откачано примерно 8 грамм азота и порядка 0,1 грамм водяного пара. Масс-спектрометрия откачанного газа продемонстрировала пики для ионов азота, кислорода, и аргона, полностью подтвердив, что это был именно воздух (рис. 2).

Рис. 2. Масс-спектрометрический анализ газа, откачанного из секции 16L2. Изображение из доклада F. Bordry на конференции LHCP 2018

К сожалению, этот прогрев не смог полностью устранить проблему. В первые же недели работы коллайдера выяснилось, что имеют место незначительные, но постоянные потери протонов в этой секции. К счастью, благодаря вспомогательному соленоиду эти потери не нарушали работы коллайдера: они были ниже того порога, при котором система безопасности дает сигнал на сброс пучков. Более неприятными стали два эпизода резкого энерговыделения 15 и 20 мая, очень похожие на то, что происходило в прошлом году (они отмечены как «16L2 storms» на рис. 3). Если в первом случае техники потратили почти 4 дня, чтобы вернуться к исходной интенсивности, то во втором случае они умудрились справиться с проблемой за считанные часы, просто проведя один цикл работы на половинной мощности.

Рис. 3. Количество сгустков в пучках в 2018 году. Изображение из доклада F. Bordry LHC status and plans towards HL-LHC на конференции LHCP 2018

Остаток мая и начало июня пришли без приключений. Однако пока никто не может дать гарантий, что такие же резкие всплески не возобновятся при дальнейшей работе коллайдера. Так или иначе, но поднимать интенсивность пучков выше нынешнего уровня (2556 сгустков в каждом пучке) физики уже не планируют.