LHC アップグレードのケーブル接続のまとめ

May 30, 2023

私たちの宇宙がどのように機能するかをより深く理解するために、研究者たちは世界で最も強力な粒子加速器である大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) をアップグレードしています。 本日、エネルギー省ローレンス・バークレー国立研究所（バークレー研究所）のチームは、LHCの次世代集束磁石用のケーブルに2220km（1367マイル）以上のワイヤーを変換するという、アップグレードにおける重要なステップを完了した。

この磁石はその種類の中で最も強力で、LHC の 2 つの汎用検出器、ATLAS と CMS での衝突の数が大幅に増加します。 衝突が多ければ多いほど、より多くのデータが生成されます。つまり、科学者は、まれで未発見の現象をより適切に検索し、質量の起源や暗黒物質と暗黒エネルギーの性質など、物理学における最大の謎のいくつかを調査できるようになります。

バークレー磁石技術センター所長のソーレン・プレステモン氏は、「超電導磁石はLHCで生み出される科学を可能にし、私たちには磁石技術の最前線を推進する優秀な複数研究室チームがいる」と述べた。 「私たちは初めて、運転中の衝突型加速器においてニオブ錫超伝導体の並外れた特性を利用することになります。」

これらの磁石を作る最初のステップは、超電導線をケーブルに加工し、それを巻いて磁石コイルを作ることです。 しかし、これらのケーブルを作るのは簡単なことではありません。 111 本のケーブルはそれぞれ、40 本のワイヤのより線をステンレス鋼のコアの周りに巻き付けて作られた単一の連続した部品です。 全長 (通常 470 メートル) のどこかで 1 本のワイヤーが別のワイヤーと交差した場合でも、ケーブルは破損します。 この取り組みには、バークレー研究所の加速器技術および応用物理学 (ATAP) 部門とエンジニアリング部門の専門家の協力が必要でした。

「私たちはバレエ団の監督のようなものです」とATAPのスタッフサイエンティストでケーブル配線作業を指揮するイアン・ポン氏は言う。 「私たちは約 3 時間のランで 40 人のダンサー (ワイヤー スプール) を円を描いてピルエットします。私たちの責任は、パフォーマンス全体を通して 1 つのステップもミスしないようにすることです。」

このケーブルの製造は、高輝度 LHC (HL-LHC) プロジェクトに対する米国の貢献である加速器アップグレード プロジェクト (AUP) の一環です。 バークレー研究所、ブルックヘブン国立研究所、フロリダ州立大学の国立高磁場研究所、そしてプロジェクトを主導するフェルミ国立加速器研究所の 4 つの機関が協力して、AUP の磁石の設計、製造、テストを行っています。

「磁石製造プロセスの各ステップは同等に重要ですが、最初に高品質の超電導ケーブルがなければ、他のステップはいずれも実行できません」とATAPの科学工学部員で副タスクリーダーのマイク・ナウス氏は述べた。

2016 年以来、バークレー研究所は AUP ケーブルを巻き、磁石になるまでの数か月にわたる旅に送り続けています。 ケーブルはブルックヘブン研究所とフェルミ研究所でコイル状に巻かれ、熱処理された後、バークレー研究所に戻り、そこで 4 つのコイルが組み立てられて四重極と呼ばれる磁石が形成されます。 フェルミラボでは、四重極は「低温アセンブリ」で結合され、テストされて CERN に出荷され、この 10 年後半の LHC の長期停止中に設置される予定です。

「これらは、米国中の人々が参加する非常にハイテクな機器です」と、ATAP の博士研究員でケーブルの品質保証に携わったジャン・フランソワ・クロトー氏は語った。 「これらすべての研究室が協力して、どの研究室も単独では作成できないものを作成できるのは素晴らしいことです。」

新しい磁石をニオブ錫で作ることにより、ニオブチタンで作られた以前の磁石よりも大きな磁場が可能になります。 磁石は約 12 テスラで動作し、これは地球の磁場の数十万倍です。 これらは、現在 CERN によって製造されている (超電導ケーブルの巻線が 70% 完成している) 四極磁石の長いバージョンと連携して動作します。

集束磁石が連携して、LHC の粒子ビームを高密度の束に絞り込み、粒子が相互作用する可能性を高めます。 アップグレードされれば、高輝度LHCは1秒間に50億から75億回の陽子衝突を生成できるようになり（現在の10億回と比較して）、科学者らは年間少なくとも1500万個のヒッグス粒子を生成すると予想している。