I ett flerårigt arbete med tre nationella laboratorier från hela USA, forskare har framgångsrikt byggt och testat en kraftfull ny magnet baserad på ett avancerat supraledande material. Den åtta ton stora enheten-ungefär lika lång som en semitrailer-satte rekord för den högsta fältstyrkan som någonsin registrerats för en acceleratorfokuseringsmagnet och höjer standarden för magneter som fungerar i partikalkollider med hög energi.

Department of Energy's Fermilab, Brookhaven National Laboratory och Lawrence Berkeley National Laboratory utformade, byggde och testade den nya magneten, en av 16 kommer de att tillhandahålla för drift i High-Luminosity Large Hadron Collider vid CERN-laboratoriet i Europa. De 16 magneterna, tillsammans med ytterligare åtta producerade av CERN, fungerar som "optik" för laddade partiklar:De kommer att fokusera strålar av protoner till en liten, oändlig plats när de närmar sig kollision inuti två olika partikeldetektorer.

Ingrediensen som skiljer dessa amerikanska magneter från varandra är niob-tenn-ett supraledande material som producerar starka magnetfält. Dessa kommer att vara de första niob-tenn quadrupol magneter som någonsin har fungerat i en partikelaccelerator.

Liksom den nuvarande Large Hadron Collider, dess efterföljare med hög ljusstyrka kommer att krossa samman strålar av protoner som kryssar runt 17-milsringen nära ljusets hastighet. HL-LHC kommer att packa ytterligare ett slag:Den ger 10 gånger de kollisioner som är möjliga vid den nuvarande LHC. Med fler kollisioner kommer fler möjligheter att upptäcka ny fysik.

Och maskinens nya fokuseringsmagneter hjälper den att uppnå detta steg i levererad ljusstyrka.

"Vi har visat att den här fyrkantiga magneten beter sig framgångsrikt och enligt design, baserat på fleråriga utvecklingsansträngningar som möjliggjorts av DOE -investeringar i denna nya teknik, "sa Fermilab -forskaren Giorgio Apollinari, chef för U.S. Accelerator Upgrade Project, som leder det amerikanska fokuseringsmagnetprojektet.

"Det är en mycket banbrytande magnet, verkligen på kanten av magnettekniken, "sa forskaren Kathleen Amm i Brookhaven National Laboratory, Brookhaven -representanten för Accelerator Upgrade Project.

Det som gör det framgångsrikt är dess imponerande förmåga att fokusera.

Fokus, magneter, fokus

I cirkulära kolliderare, två partiklar strålar runt ringen i motsatta riktningar. En stund innan de når kollisionspunkten, varje stråle passerar genom en serie magneter som fokuserar partikelstrålarna till en liten, oändlig liten fläck, ungefär hur linser fokuserar ljusstrålar till en punkt. Nu packade så tätt med partiklar som magneterna kan få dem - krossa! - strålarna kolliderar.

Den vetenskapliga fruktbarheten av denna smash beror på hur tät strålen är. Ju fler partiklar som trängs in i kollisionspunkten, desto större är risken för partikelkollisioner.

Du får de tätt packade strålarna genom att skärpa magnetens fokus. Ett sätt att göra det är att vidga linsen. Tänk på ljus:

"Om du försöker fokusera ljuset från solen med ett förstoringsglas vid en liten punkt, du vill ha ett mer "kraftfullt" förstoringsglas, "sa Ian Pong, Berkeley Lab -forskare och en av kontrollkontohanterarna.

Ett större förstoringsglas fokuserar mer av solens strålar än ett mindre. Dock, ljusstrålarna vid linsens ytterkant måste böjas skarpare för att närma sig samma fokuspunkt.

Eller betrakta en grupp bågskyttar som skjuter pilar mot ett äpple:Fler pilar kommer att fastna om bågskyttarna skjuter uppifrån, nedanför och på vardera sidan av äpplet än om de är stationerade vid en stolpe, skjuter från samma position.

Analogen av förstoringsglasets storlek och bågskyddsarrayen är magnetens bländare - öppningen av den gång som strålen tar när den tunnar genom magnetens insida. Om partikelstrålen får börja brett innan den fokuseras, fler partiklar kommer fram till den avsedda brännpunkten - partikeldetektorns centrum.

Det amerikanska laget utökade LHC -fokusmagnetens bländare till 150 millimeter, mer än dubbelt nuvarande bländare på 70 millimeter.

Men självklart, en bredare bländare räcker inte. Det finns fortfarande fråga om att faktiskt fokusera strålen, vilket innebär att man tvingar fram en dramatisk förändring i strålens storlek, från bred till smal, när strålen når kollisionspunkten. Och det kräver en exceptionellt stark magnet.

"Magneten måste pressa strålen kraftfullare än LHC:s nuvarande magneter för att skapa den ljusstyrka som behövs för HL-LHC, "Sa Apollinari.

För att möta efterfrågan, forskare designade och konstruerade en muskelfokuserad magnet, beräknar det, vid önskad bländare, det måste generera ett fält som överstiger 11,4 teslas. Detta är högre än det nuvarande 7,5-tesla-fältet som genereras av de niob-titanbaserade LHC-quadrupolmagneterna. (För acceleratorsexperter:HL-LHC integrerade ljusstyrka målet är 3, 000 omvända femtobarns.)

I januari, tre-lab-teamets första HL-LHC-fokusmagnet levererad över målprestanda, uppnå ett 11,5-tesla-fält och springa kontinuerligt med denna styrka i fem raka timmar, precis som det skulle fungera när High-Luminosity LHC startar 2027.

"Dessa magneter är de för närvarande högsta fältets fokusmagneter i acceleratorer som de finns idag, "Sade Amm." Vi driver verkligen till högre fält, vilket gör att vi kan nå högre ljusstyrkor. "

Den nya fokusmagneten var en triumf, tack vare niobium-tenn.

Niobium-tenn för vinsten

Fokuseringsmagneterna i nuvarande LHC är gjorda av niobium-titan, vars gräns för egen prestanda allmänt erkänns ha uppnåtts vid 8 till 9 teslas i acceleratorapplikationer.

HL-LHC behöver magneter med cirka 12 teslas, cirka 250, 000 gånger starkare än jordens magnetfält vid dess yta.

"Så vad gör du? Du måste gå till en annan konduktör, "Sa Apollinari.

Experter på acceleratormagnet har experimenterat med niob-tenn i decennier. Elektrisk ström som går genom en niob-tenn-superledare kan generera magnetfält på 12 teslas och högre-men bara om niob och tenn, en gång blandat och värmebehandlat för att bli supraledande, kan förbli intakt.

"När de reagerat, det blir en vacker superledare som kan bära mycket ström, men då blir det också sprött, "Sa Apollinari.

Berömd spröd

"Om du böjer det för mycket, även lite, när det är ett reagerat material, det låter som majsflingor, "Sade Amm." Du hör det faktiskt gå sönder. "

Över åren, forskare och ingenjörer har kommit på hur man kan producera niob-tenn-superledare i en användbar form. Att garantera att den skulle hålla kvar som stjärnan i en HL-LHC-fokusmagnet var en annan utmaning helt och hållet.

Berkeley, Brookhaven och Fermilab experter fick det att hända. Deras monteringsprocess är en känslig, involverade operation som balanserar niob-tennets skörhet mot de massiva temperatur- och tryckförändringar som det genomgår när det blir den främsta aktören i en framtida kollideringsmagnet.

Processen börjar med trådar som innehåller niobtrådar som omger en tennkärna, tillhandahålls av en extern tillverkare. Ledningarna tillverkas sedan i kablar på Berkeley på precis rätt sätt. Lagen på Brookhaven och Fermilab lindar sedan dessa kablar till spolar, noga med att undvika att deformera dem alltför mycket. De värmer spolarna i en ugn i tre temperatursteg, en behandling som tar mer än en vecka. Under värmebehandling reagerar tennet med filamenten för att bilda det spröda niob-tennet.

Efter att ha reagerat i ugnen, niob-tennet är nu som mest bräckligt, så det hanteras varsamt när teamet botar det, bädda in det i ett harts för att bli ett fast ämne, stark spole.

Den spolen är nu klar att fungera som en av fokusmagnetens fyra poler. Processen tar flera månader för varje pol innan hela magneten kan monteras.

"Eftersom dessa spolar är mycket kraftfulla när de får energi, det är mycket kraft som försöker skjuta isär magneten, "Pong sa." Även om magneten inte deformeras, på ledarnivå blir det en belastning, där niobium-tennets prestanda är mycket känslig. Hanteringen av stressen är mycket, mycket viktigt för dessa högfältsmagneter. "

Värmebehandling av magnetspolarna - ett av de mellanliggande stegen i magnetens sammansättning - är också en subtil vetenskap. Var och en av de fyra spolarna i en HL-LHC-fokuseringsmagnet väger cirka ett ton och måste värmebehandlas jämnt-inifrån och ut.

"Du måste kontrollera temperaturen väl. Annars ger reaktionen oss inte den bästa prestandan, "Sa Pong." Det är lite som att laga mat. Det är inte bara för att uppnå temperaturen i en del av spolen utan i hela spolen, början till slut, topp till tå, Hela saken."

Och de fyra spolarna måste justeras exakt med varandra.

"Du behöver mycket hög fältprecision, så vi måste ha mycket hög precision i hur de anpassar dessa för att få bra magnetfältets enhetlighet, ett bra fyrfältsfält, "Sa Amm.

Den fina tekniken som går in i de amerikanska HL-LHC-magneterna har skärpts under decennier, med en utbetalning som stimulerar partikelacceleratorgemenskapen.

"Detta kommer att vara den första användningen av niob-tenn i acceleratorfokusmagneter, så det kommer att bli ganska spännande att se en så komplex och sofistikerad teknik implementeras i en riktig maskin, "Sa Amm.

"Vi bar alltid tyngden av ansvar, hoppet under de senaste 10, 20 år - och om du vill gå längre, 30, 40 år - med fokus på dessa magneter, om ledarutveckling, allt arbete, "Sa Pong." Slutligen, vi kommer till det, och vi vill verkligen se till att det blir en bestående framgång. "

De många rörliga delarna av ett acceleratorsamarbete

Att säkerställa varaktig framgång har lika mycket att göra med den operativa koreografin som med den utsökta konstruktionen. Att bedriva logistik som sträcker sig över flera år och en kontinent kräver en noggrann samordning.

"Planering och schemaläggning är mycket viktigt, och de är ganska utmanande, "Sa Pong." Till exempel, transportkommunikation:Vi måste se till att saker och ting är väl skyddade. Annars kan dessa dyra föremål skadas, så vi måste förutse problem och förhindra dem. Fördröjningar påverkar också hela projektet, så vi måste se till att komponenter skickas till destinationen i tid. "

Amm, Apollinari och Pong erkänner att tre-lab-teamet har mött utmaningarna kapabelt, fungerar som en väloljad maskin.

"Tekniken som utvecklats på Fermilab, Brookhaven och Berkeley hjälpte till att göra den ursprungliga LHC till en framgång. Och nu igen, denna teknik från USA hjälper verkligen CERN att bli framgångsrik, "Amm sa." Det är ett drömlag, och det är en ära att få vara med. "

Det USA-baserade Accelerator Upgrade Project för HL-LHC, varav fokuseringsmagnetprojektet är ett stycke, startade 2016, växer ut ur ett föregångars FoU -program 2003 som fokuserade på liknande acceleratorteknologiska projekt.

Från och med nu till omkring 2025, de amerikanska laboratorierna kommer att fortsätta bygga den stora, jävla rör, börjar med fina strängar av niob och tenn. De planerar att börja leverera år 2022 den första av 16 magneter, plus fyra reservdelar, till CERN. Installationen kommer att ske under de tre följande åren.

"Folk säger att" touchdown "är ett mycket vackert ord för att beskriva landningen av ett flygplan, eftersom du har ett stort metallföremål som väger hundratals ton, sjunker från himlen, vidrör mycket försiktigt en betongbana, "Sade Pong." Dessa magneter skiljer sig inte så mycket från det. Våra magneter är massiva supraledande enheter, fokusera små osynliga partikelstrålar som flyger nära ljusets hastighet genom hålet. Det är ganska magiskt. "

Magin börjar 2027, när High-Luminosity LHC kommer online.

"Vi gör idag det arbete som framtida unga forskare kommer att använda om 10 eller 20 år från och med nu för att flytta gränsen för mänsklig kunskap, precis som det hände när jag var ung forskare här på Fermilab, med hjälp av Tevatron, "Sa Apollinari." Det är ett generationspass av stafettpinnen. Vi måste göra maskinerna för framtida generationer, och med denna teknik, uppenbarligen är det mycket vi kan möjliggöra för den framtida generationen. "