U.S. Large Hadron Collider Accelerator Upgrade Project är det Fermilab-ledda samarbetet mellan amerikanska laboratorier som, i partnerskap med CERN och ett dussin andra länder, arbetar med att uppgradera Large Hadron Collider. LHC AUP började för drygt två år sedan och, den 11 februari, den fick viktiga godkännanden, att låta projektet gå över till nästa steg.

U.S. Department of Energy-projekt genomgår en rad viktiga granskningar och godkännanden, kallas "Kritiska beslut" som varje projekt måste få. Tidigare den här månaden, AUP fick godkännande för både kritiska beslut 2 och 3b från DOE. CD-2 godkänner prestandabaslinjen – omfattningen, kostnad och schema—för AUP. För att hålla sig på det schemat, CD-3b tillåter projektet att få de medel och det godkännande som krävs för att köpa basmaterial och producera slutliga designmodeller av två teknologier i slutet av 2019.

LHC, en partikelaccelerator med en omkrets på 17 mil vid den fransk-schweiziska gränsen, slår samman två motsatta strålar av protoner för att producera andra partiklar. Forskare använder partikeldata för att förstå hur universum fungerar på subatomär skala.

I sin nuvarande konfiguration, i genomsnitt, häpnadsväckande 1 miljard kollisioner inträffar varje sekund vid LHC. De nya teknologierna som utvecklats för LHC kommer att öka den siffran med en faktor 10. Denna ökning av ljusstyrkan – antalet proton-protoninteraktioner per sekund – innebär att betydligt mer data kommer att vara tillgänglig för experiment vid LHC. Det är också anledningen bakom kolliderens nya namn, LHC med hög ljusstyrka.

"Behovet av att gå utöver LHC:s redan utmärkta prestanda ligger till grund för den vetenskapliga metoden, sade Giorgio Apollinari, Fermilab-forskare och HL-LHC AUP-projektledare. "Bekräftelsen och stödet som erhållits för detta amerikanska bidrag till HL-LHC kommer att göra det möjligt för våra forskare att förbli i framkanten av forskningen vid energigränsen."

Amerikanska fysiker och ingenjörer hjälpte till med forskning och utveckling av två tekniker för att göra denna uppgradering möjlig. Den första uppgraderingen är magneterna som fokuserar partiklarna. De nya magneterna förlitar sig på niob-tennledare och kan utöva en starkare kraft på partiklarna än deras föregångare. Genom att öka kraften, partiklarna i varje stråle drivs närmare varandra, möjliggör fler proton-proton-interaktioner vid kollisionspunkterna.

Den andra uppgraderingen är en speciell typ av acceleratorkavitet. Kaviteter är strukturer inuti kolliderare som ger energi till partikelstrålen och driver dem framåt. Denna speciella hålighet, kallas en krabba hålighet, används för att öka överlappningen av de två strålarna så att fler protoner har en chans att kollidera.

"Detta godkännande är ett erkännande av 15 års forskning och utveckling som startat av ett amerikanskt forskningsprogram och avslutats av detta projekt, sade Giorgio Ambrosio, Fermilab-forskare och HL-LHC AUP-chef för magneter.

Magneter hjälper partiklarna att gå runt

Supraledande niob-tennmagneter har aldrig använts i en högenergipartikelaccelerator som LHC. Dessa nya magneter kommer att generera ett maximalt magnetfält på 12 tesla, ungefär 50 procent mer än niob-titanmagneterna som för närvarande finns i LHC. För jämförelse, magnetfältet för en magnetisk röntgenundersökning varierar från 0,5 till 3 tesla, och jordens magnetfält är bara 50 miljondelar av en tesla.

Det finns flera steg för att skapa niob-tennspolarna för magneterna, och var och en har sina utmaningar.

Varje magnet kommer att ha fyra uppsättningar spolar, vilket gör det till en fyrpol. Tillsammans leder spolarna den elektriska strömmen som producerar magnetens magnetfält. För att göra niobtenn kapabel att producera ett starkt magnetfält, spolarna måste bakas i ugn och förvandlas till en supraledare. Den stora utmaningen med niobtenn är att den supraledande fasen är spröd. Liknar okokt spagetti, ett litet tryck kan knäcka det i två delar om spolarna inte är väl stödda. Därför, spolarna måste hanteras varsamt från och med nu.

AUP kräver 84 spolar, tillverkade till 21 magneter. Fermilab kommer att tillverka 43 spolar, och Brookhaven National Laboratory i New York kommer att tillverka ytterligare 41. Dessa kommer sedan att levereras till Lawrence Berkeley National Laboratory för att formas till acceleratormagneter. Magneterna kommer att skickas till Brookhaven för att testas innan de skickas tillbaka till Fermilab. Tjugo framgångsrika magneter kommer att infogas i 10 behållare, som sedan testas av Fermilab, och slutligen skickas till CERN.

Med CD-2/3b-godkännande, AUP räknar med att ha den första magneten monterad i april och testad i juli. Om allt går bra, denna magnet kommer att vara kvalificerad för installation på CERN.

Krabbhåligheter för fler kollisioner

Kaviteter accelererar partiklar inuti en kolliderare, boostar dem till högre energier. De bildar också partiklarna till klasar:När enskilda protoner färdas genom håligheten, var och en accelereras eller bromsas beroende på om de är under eller över en förväntad energi. Denna process sorterar i huvudsak strålen i samlingar av protoner, eller partikelklasar.

HL-LHC sätter snurr på den typiska håligheten med sina krabbhåligheter, som får sitt namn från hur partikelknippen ser ut att röra sig efter att de har passerat genom håligheten. När ett gäng lämnar håligheten, det verkar röra sig i sidled, liknande hur en krabba går. Denna rörelse i sidled är faktiskt ett resultat av att krabbans hålighet roterar partikelknippen när de passerar igenom.

Föreställ dig att en fotboll faktiskt var ett partikelgäng. Vanligtvis, du vill kasta en fotboll rakt fram, med den spetsiga änden som skär genom luften. Detsamma gäller för partikelklasar; de går normalt igenom en kolliderare som en fotboll. Låt oss nu säga att du ville se till att din fotboll och en annan fotboll skulle kollidera i luften. Istället för att kasta den rakt på, du skulle vilja kasta fotbollen på sidan för att maximera storleken på målet och därmed risken för kollision.

Självklart, att vända klasarna är svårare än att vända en fotboll, eftersom varje gäng inte är en enda, styvt föremål.

För att möjliggöra rotationen, krabbahålorna placeras precis före och efter kollisionspunkterna vid två av partikeldetektorerna vid LHC, kallas ATLAS och CMS. Ett alternerande elektriskt fält går genom varje hålighet och "lutar" partikelknippet på sidan. Att göra detta, den främre delen av gänget får en "kick" åt sidan på vägen in och, innan den går, den bakre delen får en "kick" till motsatt sida. Nu, partikelknippet ser ut som en fotboll på sin sida. När de två gängen möts vid kollisionspunkten, de överlappar varandra bättre, vilket gör uppkomsten av en partikelkollision mer sannolikt.

Efter kollisionspunkten, fler krabbhålor rätar ut de återstående klasarna, så att de kan resa genom resten av LHC utan att orsaka oönskade interaktioner.

Med CD-2/3b-godkännande, alla råvaror som behövs för konstruktionen av hålrummen kan köpas. Två prototyper av krabbhålighet förväntas i slutet av 2019. När prototyperna har certifierats, projektet kommer att söka ytterligare godkännande för produktion av alla hålrum som är avsedda för LHC-tunneln.

Efter ytterligare tester, hålrummen kommer att skickas ut för att "kläs":placeras i ett kylkärl. När de klädda hålrummen klarar alla acceptanskriterier, Fermilab kommer att skicka alla 10 klädda hålrum till CERN.

"Det är lätt att glömma att dessa tekniska framsteg inte bara gynnar acceleratorprogram, sa Leonardo Ristori, Fermilab-ingenjör och en HL-LHC AUP-chef för krabbhålor. "Acceleratorteknik fanns i de första TV-skärmarna och används för närvarande i medicinsk utrustning som MRI. Vi kanske inte kan förutsäga hur dessa tekniker kommer att se ut i vardagen, men vi vet att den här typen av ansträngningar strömmar över branscher."