En un esfuerzo de varios años que involucró a tres laboratorios nacionales de todo Estados Unidos, Los investigadores han construido y probado con éxito un nuevo y poderoso imán basado en un material superconductor avanzado. El dispositivo de ocho toneladas, aproximadamente tan largo como un semirremolque de camión, estableció un récord para la intensidad de campo más alta jamás registrada para un imán de enfoque de acelerador y eleva el estándar para los imanes que operan en colisionadores de partículas de alta energía.

Fermilab del Departamento de Energía, El Laboratorio Nacional Brookhaven y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley diseñaron, construyó y probó el nuevo imán, uno de los 16 que proporcionarán la operación en el Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad en el laboratorio del CERN en Europa. Los 16 imanes, junto con otros ocho producidos por el CERN, sirven como "ópticas" para las partículas cargadas:enfocarán haces de protones en una pequeña, punto infinitesimal a medida que se acercan a la colisión dentro de dos detectores de partículas diferentes.

El ingrediente que distingue a estos imanes producidos en Estados Unidos es el niobio-estaño, un material superconductor que produce fuertes campos magnéticos. Estos serán los primeros imanes de cuadrupolo de niobio-estaño que operen en un acelerador de partículas.

Como el Gran Colisionador de Hadrones actual, su sucesor de alta luminosidad aplastará haces de protones que cruzan alrededor del anillo de 17 millas a una velocidad cercana a la de la luz. El HL-LHC tendrá un impacto adicional:proporcionará 10 veces las colisiones que son posibles en el LHC actual. Con más colisiones, surgen más oportunidades para descubrir nueva física.

Y los nuevos imanes de enfoque de la máquina la ayudarán a lograr ese salto en la luminosidad entregada.

"Hemos demostrado que este primer imán cuadrupolo se comporta con éxito y de acuerdo con el diseño, basado en el esfuerzo de desarrollo de varios años hecho posible por las inversiones del DOE en esta nueva tecnología, "dijo el científico del Fermilab Giorgio Apollinari, jefe del Proyecto de actualización del acelerador de EE. UU., que lidera el proyecto de imán de enfoque con sede en EE. UU.

"Es un imán de última generación, realmente a la vanguardia de la tecnología magnética, "dijo Kathleen Amm, científica del Laboratorio Nacional de Brookhaven, el representante de Brookhaven para el Proyecto de actualización del acelerador.

Lo que lo hace exitoso es su impresionante capacidad de concentración.

Atención, imanes atención

En colisionadores circulares, dos haces de partículas corren alrededor del anillo en direcciones opuestas. Un instante antes de que lleguen al punto de colisión, cada rayo pasa a través de una serie de imanes que enfocan los rayos de partículas en un minúsculo, mancha infinitesimal, de la misma manera que las lentes enfocan los rayos de luz a un punto. Ahora lleno de partículas tan apretadas como los imanes pueden atraparlas, ¡aplastar! Los rayos chocan.

La fecundidad científica de ese aplastamiento depende de qué tan denso sea el rayo. Cuantas más partículas se amontonen en el punto de colisión, mayor será la posibilidad de colisiones de partículas.

Obtienes esos rayos compactos al agudizar el enfoque del imán. Una forma de hacerlo es ampliar la lente. Considere la luz:

"Si intentas enfocar la luz del sol con una lupa en un punto pequeño, quieres tener una lupa más 'potente', "dijo Ian Pong, Científico de Berkeley Lab y uno de los gerentes de cuentas de control.

Una lupa más grande enfoca más rayos del sol que una más pequeña. Sin embargo, los rayos de luz en el borde exterior de la lente deben doblarse más bruscamente para acercarse al mismo punto focal.

O considere un grupo de arqueros disparando flechas a una manzana:más flechas se pegarán si los arqueros disparan desde arriba, debajo y a ambos lados de la manzana que si estuvieran estacionados en un solo poste, disparando desde la misma posición.

El análogo del tamaño de la lupa y la disposición del arquero es la apertura del imán, la apertura del pasaje que toma el rayo mientras atraviesa el interior del imán. Si se permite que el rayo de partículas comience ancho antes de ser enfocado, llegarán más partículas al punto focal previsto:el centro del detector de partículas.

El equipo de EE. UU. Amplió la apertura del imán de enfoque del LHC a 150 milímetros, más del doble de la apertura actual de 70 milímetros.

Pero por supuesto, una apertura más amplia no es suficiente. Todavía queda la cuestión de enfocar realmente el rayo, lo que significa forzar un cambio dramático en el tamaño del haz, de ancho a estrecho, para cuando el rayo alcance el punto de colisión. Y eso requiere un imán excepcionalmente fuerte.

"El imán tiene que apretar el rayo con más fuerza que los imanes actuales del LHC para crear la luminosidad necesaria para el HL-LHC, "Dijo Apollinari.

Para satisfacer la demanda, Los científicos diseñaron y construyeron un imán de enfoque muscular, calculando eso, en la apertura requerida, tendría que generar un campo superior a 11,4 teslas. Esto es superior al campo actual de 7,5 teslas generado por los imanes de cuadrupolo LHC basados ​​en niobio y titanio. (Para expertos en aceleradores:el objetivo de luminosidad integrado del HL-LHC es 3, 000 femtobarns inversos.)

En Enero, El primer imán de enfoque HL-LHC del equipo de tres laboratorios entregó un rendimiento superior al objetivo, logrando un campo de 11.5 tesla y funcionando continuamente a esta fuerza durante cinco horas seguidas, tal como funcionaría cuando el LHC de alta luminosidad se ponga en marcha en 2027.

"Estos imanes son los imanes de enfoque de campo más alto en los aceleradores, tal como existen en la actualidad, ", Dijo Amm." Realmente estamos avanzando hacia campos más altos, lo que nos permite llegar a luminosidades más altas ".

El nuevo imán de enfoque fue un triunfo, gracias al niobio-estaño.

Niobio-estaño para la victoria

Los imanes de enfoque en el LHC actual están hechos con niobio-titanio, cuyo límite de rendimiento intrínseco generalmente se reconoce que se alcanzó entre 8 y 9 teslas en aplicaciones de acelerador.

El HL-LHC necesitará imanes con alrededor de 12 teslas, alrededor de 250, 000 veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra en su superficie.

"Entonces, ¿qué haces? Necesitas ir con un director diferente, "Dijo Apollinari.

Los expertos en imanes aceleradores han estado experimentando con niobio-estaño durante décadas. La corriente eléctrica que atraviesa un superconductor de niobio y estaño puede generar campos magnéticos de 12 teslas o más, pero solo si el niobio y el estaño, una vez mezclado y tratado térmicamente para volverse superconductor, puede permanecer intacto.

"Una vez que reaccionan, se convierte en un hermoso superconductor que puede transportar mucha corriente, pero luego también se vuelve quebradizo, "Dijo Apollinari.

Famosamente frágil

"Si lo dobla demasiado, aunque sea un poquito, una vez que es un material reaccionado, suena a hojuelas de maíz, "Dijo Amm." De hecho lo oyes romperse ".

A través de los años, Los científicos e ingenieros han descubierto cómo producir un superconductor de niobio y estaño en una forma que sea útil. Garantizar que se mantendría como la estrella de un imán de enfoque HL-LHC fue otro desafío.

Berkeley, Los expertos de Brookhaven y Fermilab lo hicieron posible. Su proceso de montaje es delicado, implicó una operación que equilibraba la fragilidad del niobio-estaño frente a los cambios masivos de temperatura y presión que sufre al convertirse en el actor principal de un futuro imán colisionador.

El proceso comienza con alambres que contienen filamentos de niobio rodeando un núcleo de estaño, proporcionado por un fabricante externo. Luego, los cables se fabrican en cables en Berkeley de la manera correcta. Los equipos de Brookhaven y Fermilab luego enrollan estos cables en bobinas, cuidado de no deformarlos excesivamente. Calientan las bobinas en un horno en tres etapas de temperatura, un tratamiento que lleva más de una semana. Durante el tratamiento térmico, el estaño reacciona con los filamentos para formar el frágil niobio-estaño.

Habiendo reaccionado en el horno, el niobio-estaño es ahora más frágil, por lo que se maneja con cuidado mientras el equipo lo cura, incrustarlo en una resina para que se convierta en un sólido, bobina fuerte.

Esa bobina ahora está lista para servir como uno de los cuatro polos del imán de enfoque. El proceso lleva varios meses para cada polo antes de que se pueda ensamblar el imán completo.

"Debido a que estas bobinas son muy poderosas cuando están energizadas, hay mucha fuerza tratando de separar el imán, "Dijo Pong." Incluso si el imán no se deforma, a nivel del conductor habrá tensión, a lo que el rendimiento del niobio-estaño es muy sensible. El manejo del estrés es muy, muy importante para estos imanes de alto campo ".

El tratamiento térmico de las bobinas magnéticas, uno de los pasos intermedios en el ensamblaje del imán, también es una ciencia sutil. Cada una de las cuatro bobinas de un imán de enfoque HL-LHC pesa aproximadamente una tonelada y debe tratarse térmicamente de manera uniforme, por dentro y por fuera.

"Hay que controlar bien la temperatura. De lo contrario, la reacción no nos dará el mejor rendimiento, "Dijo Pong." Es un poco como cocinar. No es solo para alcanzar la temperatura en una parte de la bobina sino en toda la bobina, de extremo a extremo, de arriba hacia abajo, toda la cosa."

Y las cuatro bobinas deben estar alineadas con precisión entre sí.

"Necesita una precisión de campo muy alta, por lo que debemos tener una precisión muy alta en la forma en que se alinean para obtener una buena uniformidad del campo magnético, un buen campo cuadrupolo, "Dijo Amm.

La fina ingeniería que se utiliza en los imanes HL-LHC de EE. UU. Se ha agudizado durante décadas, con una recompensa que está energizando a la comunidad de aceleradores de partículas.

"Este será el primer uso de niobio-estaño en imanes de enfoque de aceleradores, por lo que será muy emocionante ver cómo una tecnología tan compleja y sofisticada se implementa en una máquina real, "Dijo Amm.

"Siempre llevamos el peso de la responsabilidad, la esperanza en los ultimos 10, 20 años y, si quieres ir más allá, 30, 40 años, centrándonos en estos imanes, en el desarrollo de conductores, todo el trabajo, "Dijo Pong." Finalmente, estamos llegando a eso, y realmente queremos asegurarnos de que sea un éxito duradero ".

Las muchas partes móviles de una colaboración aceleradora

Asegurar un éxito duradero tiene tanto que ver con la coreografía operativa como con la exquisita ingeniería. Llevar a cabo una logística que abarque años y un continente requiere una minuciosa coordinación.

"La planificación y la programación son muy importantes, y son bastante desafiantes, "Dijo Pong." Por ejemplo, comunicación de transporte:Tenemos que asegurarnos de que las cosas estén bien protegidas. De lo contrario, estos costosos artículos pueden dañarse, así que tenemos que prever los problemas y prevenirlos. Los retrasos también tienen un impacto en todo el proyecto, por lo que tenemos que asegurarnos de que los componentes se envíen a su destino en el momento oportuno ".

Amm, Apollinari y Pong reconocen que el equipo de tres laboratorios ha superado los desafíos con habilidad, operando como una máquina bien engrasada.

"Las tecnologías desarrolladas en Fermilab, Brookhaven y Berkeley ayudaron a que el LHC original fuera un éxito. Y ahora otra vez estas tecnologías fuera de los EE. UU. realmente están ayudando al CERN a tener éxito, "Amm dijo." Es un equipo de ensueño, y es un honor ser parte de ella ".

El proyecto de actualización del acelerador con sede en EE. UU. Para el HL-LHC, del cual el proyecto del imán de enfoque es una pieza, comenzó en 2016, surgiendo de un programa de I + D anterior a 2003 que se centró en proyectos de tecnología de aceleradores similares.

Desde ahora hasta aproximadamente 2025, los laboratorios de EE. UU. continuarán construyendo grandes tubos enormes, comenzando con finas hebras de niobio y estaño. Planean comenzar a entregar en 2022 el primero de 16 imanes, más cuatro repuestos, al CERN. La instalación se llevará a cabo durante los tres años siguientes.

"La gente dice que 'touchdown' es una palabra muy bonita para describir el aterrizaje de un avión, porque tienes un objeto de metal enorme que pesa cientos de toneladas, descendiendo del cielo, tocar una pista de hormigón con mucha suavidad, "Dijo Pong." Estos imanes no son muy diferentes de eso. Nuestros imanes son dispositivos superconductores masivos, enfocando diminutos rayos de partículas invisibles que vuelan cerca de la velocidad de la luz a través del orificio. Es bastante mágico ".

La magia comienza en 2027, cuando el LHC de alta luminosidad se conecte.

"Estamos haciendo hoy el trabajo que los futuros investigadores jóvenes utilizarán dentro de 10 o 20 años para empujar la frontera del conocimiento humano, como sucedió cuando era un joven investigador aquí en Fermilab, usando el Tevatron, "Apollinari dijo." Es un traspaso generacional de la batuta. Necesitamos fabricar las máquinas para las generaciones futuras, y con esta tecnología, obviamente, lo que podemos habilitar para la generación futura es mucho ".