Крупнейший и самый мощный в мире коллайдер частиц - Большой адронный коллайдер (БАК) - готовится к масштабной модернизации, которая повысит его производительность и позволит совершить новые открытия в физике. Для модернизации, известной как большой адронный коллайдер (БАК) высокой светимости (HL-LHC), потребуются новые типы магнитов для более плотной фокусировки пучков протонов в точках столкновения экспериментов ATLAS и CMS.
Эти новые магниты называются квадруполями окончательной фокусировки и устанавливаются в областях взаимодействия БАК. Их особая форма позволяет сжимать пучки протонов до очень малых размеров, увеличивая вероятность столкновений и получая больше данных для анализа физиками. Нынешние магниты БАК могут создавать в точках столкновения пучков пятна размером около 16 мкм (один микрометр - это тысячная доля миллиметра). Для сравнения, новые магниты уменьшат его примерно до 10 мкм.
Первая партия этих новых магнитов, разработанных в рамках американского проекта модернизации ускорителей (AUP), прибыла в Европейскую организацию по ядерным исследованиям (ЦЕРН) в начале декабря 2023 года. Партия содержала криосборку из двух магнитов длиной 4,2 м каждый, изготовленных из сверхпроводящего материала ниобий-олово (Nb3Sn). Этот материал может создавать более высокие магнитные поля, чем ниобий-титан (Nb-Ti), используемый в нынешних магнитах БАК, но он также более хрупкий и сложный в обращении.
Несмотря на все трудности, недавние испытания в Фермилабе подтвердили, что новые квадрупольные магниты, разработанные в рамках проекта модернизации ускорителя HL-LHC (AUP) в США, работают при заданном токе как при 1,9 кельвина (-271,25°C), так и при 4,5 кельвина (-268,65°C), что соответствует требованиям проекта.
Американская компания AUP производит в общей сложности 20 магнитов (16 плюс четыре запасных) для HL-LHC, а технологический отдел ЦЕРН разрабатывает еще десять магнитов (восемь плюс два запасных) длиной 7,2 м каждый, основанных на той же конструкции и технологии. Более длинные магниты будут установлены в туннеле БАК. Более короткие, напротив, будут использоваться в испытательной установке в ЦЕРНе, называемой струной внутреннего триплета (IT), где будут собраны и протестированы все компоненты областей взаимодействия.
18 декабря 2023 года в ЦЕРН состоялась торжественная церемония, на которой присутствовали представители обеих сторон Атлантики, - прибытие первых магнитов американского производства. Со слов руководителя проекта HL-LHC Оливера Брюнинга, это начало нового этапа сотрудничества ЦЕРН и США: поставка готовых к установке криоустановок для БАК. Первая из них будет интегрирована в колонну IT и пройдет всесторонние испытания в 2025 году. Нить IT станет важнейшим испытательным стендом для HL-LHC, который начнет работу в 2029 году.
HL-LHC увеличит светимость БАКа в пять-десять раз, что позволит физикам исследовать новые явления, выходящие за рамки стандартной модели физики частиц. HL-LHC также продлит срок службы БАК, который, как ожидается, продлится до конца 2030-х годов.