El Proyecto de Actualización del Acelerador del Gran Colisionador de Hadrones de EE. UU. Es la colaboración liderada por Fermilab de laboratorios de EE. UU. Que, en asociación con el CERN y una docena de otros países, está trabajando para actualizar el Gran Colisionador de Hadrones. LHC AUP comenzó hace poco más de dos años y, el 11 de febrero, recibió aprobaciones clave, permitiendo que el proyecto pase a sus próximos pasos.

Los proyectos del Departamento de Energía de EE. UU. Se someten a una serie de revisiones y aprobaciones clave, denominadas "Decisiones críticas" que todo proyecto debe recibir. A principios de este mes, la AUP obtuvo la aprobación para las Decisiones críticas 2 y 3b del DOE. CD-2 aprueba la línea de base de desempeño:el alcance, costo y horario — para la PUA. Para mantenerse en ese horario, CD-3b permite que el proyecto reciba los fondos y la aprobación necesarios para comprar materiales base y producir modelos de diseño final de dos tecnologías para fines de 2019.

El LHC, un acelerador de partículas de 17 millas de circunferencia en la frontera franco-suiza, aplasta dos haces opuestos de protones para producir otras partículas. Los investigadores utilizan los datos de las partículas para comprender cómo funciona el universo a escala subatómica.

En su configuración actual, de media, La asombrosa cantidad de mil millones de colisiones ocurren cada segundo en el LHC. Las nuevas tecnologías desarrolladas para el LHC aumentarán ese número en un factor de 10. Este aumento en la luminosidad (el número de interacciones protón-protón por segundo) significa que habrá muchos más datos disponibles para experimentos en el LHC. También es la razón detrás del nuevo nombre del colisionador, el LHC de alta luminosidad.

"La necesidad de ir más allá del ya excelente rendimiento del LHC es la base del método científico, "dijo Giorgio Apollinari, Científico del Fermilab y director del proyecto HL-LHC AUP. "El respaldo y el apoyo recibido por esta contribución estadounidense al HL-LHC permitirá a nuestros científicos permanecer a la vanguardia de la investigación en la frontera energética".

Físicos e ingenieros estadounidenses ayudaron a investigar y desarrollar dos tecnologías para hacer posible esta actualización. La primera actualización es para los imanes que enfocan las partículas. Los nuevos imanes se basan en conductores de niobio y estaño y pueden ejercer una fuerza más fuerte sobre las partículas que sus predecesores. Al aumentar la fuerza, las partículas de cada haz se acercan, permitiendo más interacciones protón-protón en los puntos de colisión.

La segunda actualización es un tipo especial de cavidad del acelerador. Las cavidades son estructuras dentro de los colisionadores que imparten energía al haz de partículas y las impulsan hacia adelante. Esta cavidad especial, llamada cavidad de cangrejo, se utiliza para aumentar la superposición de los dos haces de modo que más protones tengan la posibilidad de colisionar.

"Esta aprobación es un reconocimiento a 15 años de investigación y desarrollo iniciados por un programa de investigación de EE. UU. Y completados por este proyecto, "dijo Giorgio Ambrosio, Científico del Fermilab y responsable de la AUP de HL-LHC para imanes.

Los imanes ayudan a que las partículas giren

Los imanes superconductores de niobio y estaño nunca se han utilizado en un acelerador de partículas de alta energía como el LHC. Estos nuevos imanes generarán un campo magnético máximo de 12 tesla, aproximadamente un 50 por ciento más que los imanes de niobio-titanio actualmente en el LHC. Para comparacion, el campo magnético de una resonancia magnética varía de 0,5 a 3 tesla, y el campo magnético de la Tierra es solo 50 millonésimas de un tesla.

Hay varias etapas para crear las bobinas de niobio y estaño para los imanes, y cada uno trae sus desafíos.

Cada imán tendrá cuatro juegos de bobinas, haciéndolo un cuadrupolo. Juntas, las bobinas conducen la corriente eléctrica que produce el campo magnético del imán. Para hacer que el niobio-estaño sea capaz de producir un fuerte campo magnético, las bobinas deben hornearse en un horno y convertirse en un superconductor. El mayor desafío con el niobio-estaño es que la fase superconductora es frágil. Similar a los espaguetis crudos, una pequeña cantidad de presión puede romperlo en dos si las bobinas no están bien soportadas. Por lo tanto, las bobinas deben manipularse con delicadeza a partir de este momento.

La AUP pide 84 bobinas, fabricado en 21 imanes. Fermilab fabricará 43 bobinas, y el Laboratorio Nacional Brookhaven en Nueva York fabricarán otros 41. Luego se entregarán al Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley para que se conviertan en imanes aceleradores. Los imanes se enviarán a Brookhaven para ser probados antes de ser enviados de regreso a Fermilab. Se insertarán veinte imanes exitosos en 10 contenedores, que luego son probados por Fermilab, y finalmente enviado al CERN.

Con aprobación CD-2 / 3b, AUP espera tener el primer imán ensamblado en abril y probado en julio. Si todo va bien, este imán podrá instalarse en el CERN.

Cavidades de cangrejo para más colisiones.

Las cavidades aceleran las partículas dentro de un colisionador, impulsándolos a energías superiores. También forman las partículas en racimos:a medida que los protones viajan a través de la cavidad, cada uno se acelera o desacelera dependiendo de si están por debajo o por encima de una energía esperada. Este proceso esencialmente clasifica el haz en grupos de protones, o racimos de partículas.

HL-LHC le da un giro a la típica cavidad con sus cavidades de cangrejo, que reciben su nombre de cómo los racimos de partículas parecen moverse después de haber pasado a través de la cavidad. Cuando un grupo sale de la cavidad, parece moverse hacia los lados, similar a cómo camina un cangrejo. Este movimiento lateral es en realidad el resultado de que la cavidad del cangrejo rota los racimos de partículas a medida que pasan.

Imagina que una pelota de fútbol fuera en realidad un montón de partículas. Típicamente, quieres lanzar una pelota de fútbol en línea recta, con el extremo puntiagudo cortando el aire. Lo mismo ocurre con los racimos de partículas; normalmente pasan por un colisionador como una pelota de fútbol. Ahora digamos que quiere asegurarse de que su fútbol y otro choque colisionen en el aire. En lugar de tirarlo de frente, querría tirar el balón de lado para maximizar el tamaño del objetivo y, por lo tanto, la posibilidad de colisión.

Por supuesto, girar los racimos es más difícil que girar una pelota de fútbol, ya que cada grupo no es uno solo, objeto rígido.

Para hacer posible la rotación, las cavidades del cangrejo se colocan justo antes y después de los puntos de colisión en dos de los detectores de partículas en el LHC, llamado ATLAS y CMS. Un campo eléctrico alterno atraviesa cada cavidad e "inclina" el grupo de partículas de lado. Para hacer esto, la sección frontal del grupo recibe una "patada" hacia un lado al entrar y, antes de que se vaya, la sección trasera recibe una "patada" hacia el lado opuesto. Ahora, el manojo de partículas parece una pelota de fútbol de lado. Cuando los dos racimos se encuentran en el punto de colisión, se superponen mejor, lo que aumenta la probabilidad de que se produzca una colisión de partículas.

Después del punto de colisión, más cavidades de cangrejo enderezan los racimos restantes, para que puedan viajar por el resto del LHC sin provocar interacciones no deseadas.

Con aprobación CD-2 / 3b, Se pueden adquirir todas las materias primas necesarias para la construcción de las cavidades. Se esperan dos prototipos de cavidades de cangrejo para fines de 2019. Una vez que se hayan certificado los prototipos, el proyecto buscará una mayor aprobación para la producción de todas las cavidades destinadas al túnel del LHC.

Después de más pruebas, las cavidades se enviarán para ser "vestidas":colocadas en un recipiente de enfriamiento. Una vez que las cavidades vestidas pasan todos los criterios de aceptación, Fermilab enviará las 10 cavidades revestidas al CERN.

"Es fácil olvidar que estos avances tecnológicos no solo benefician a los programas de aceleración, "dijo Leonardo Ristori, Ingeniero de Fermilab y gerente de AUP de HL-LHC para cavidades de cangrejo. "La tecnología de aceleración existía en las primeras pantallas de televisión y actualmente se utiliza en equipos médicos como las resonancias magnéticas. Es posible que no podamos predecir cómo aparecerán estas tecnologías en la vida cotidiana, pero sabemos que este tipo de iniciativas se propagan a todas las industrias ".