Az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet (CERN) részecskefizikai laboratóriumának legnagyobb és leghíresebb gyorsítója, a Nagy Hadronütköztető tavaly kezdte meg újbóli működését egy több éves szünet vagyis az úgynevezett Második Hosszú Leállás (Long Shutdown 2) után, amelynek során jelentős fejlesztéseken és javításokon esett át. A most zajló harmadik működési fázisban 13,6 TeV-os rekord energiával ütköznek a protonok a 27 kilométeres létesítmény berendezéseiben és ezáltal még több olyan nagytömegű részecske generálására nyílik lehetőség, amelyek bomlása következtében ritkán látott egzotikus részecskék születhetnek egy-egy szempillantás erejéig. Az ütközések energiájának növelése mellett a nagyobb luminozitás elérésével lehetséges még több fizikai jelenséget előidézni és még több adatra szert tenni a kísérletek során - ez a célja annak a nagyszabású fejlesztési programnak, amit most készítenek elő a CERN-ben.

A HL-LHC (High-Luminosity Large Hadron Collider) projekt kivitelezésével az ütköztető teljesítményét úgy tudják jelentősen emelni, hogy közben nem kell az alapoktól átépíteni a létesítményt, hanem hozzáadott plusz berendezésekkel módosítják a gyorsító működését.

A HiLumi-LHC a magasabb szintű luminozitás által jóval több részecskét állít elő, így több fontos megfigyelést tehetnek majd a kutatók.

A luminozitás lényegében a bekövetkező ütközések számát mutatja, vagyis egy bizonyos területen, bizonyos idő alatt történő események számával, az ütközőnyaláb hozamával arányos. A nyaláb intenzitásának növeléséhez az ütközéseket figyelő detektorok, az ATLAS és a CMS közelébe különleges mágneseket telepítenek, amelyek közvetlenül a protonsugarak találkozása előtt fókuszálják a sugarakat. Ezek a mágnesek speciális anyagból készülnek és most először használják majd őket a Nagy Hadronütköztetőben, a gyártásuk és tesztelésük pedig már meg is kezdődött, sőt, az első Q2b típusú mágnest már össze is szerelték a CERN felvételei szerint.

A HiLumi projekt részére összesen 30 új Nb3Sn mágnest készítenek, közülük huszat a Fermilab gyárt le. A kvadrupólus mágnesek az eddigieknél is jobb szupravezetői képességük miatt még hatékonyabban segítik elő az ütközéseket a sugarak kordában tartása által, de a szupravezetői állapot eléréséhez kriogenikus hőmérsékletűre, mínusz 270 Celsius-foknál is alacsonyabbra kell hűteni őket. Az ütköztetőben már korábban is alkamaztak szupravezető mágneseket a sugárnyalábok irányának stabilizálására, viszont az új eszközökhöz egy másfajta anyagot, niobium-ón (Nb3Sn) ötvözetet használnak a mérnökök.

A nióbium-ón hátránya az eddig használt nióbium-titánnal szemben, hogy jóval törékenyebb, viszont a szupravezetéssel kapcsolatos előnyei miatt mégis ez bizonyult a jobb megoldásnak a luminozitás növeléséhez. A mágneseknek hosszabb, 7,2 méteres és rövidebb, 4,2 méteres verzióit is elkészítették és évekkel ezelőtt elkezdték tesztelni a brookhaveni laboratóriumban: ennek során több alkalommal felmelegítették, majd lehűtötték őket, hogy megvizsgálják, hogyan reagálnak a 300 Celsius-fokos hőmérsékletingadozásra. Az első amerikai próbák sikeresen zajlottak, de a CERN nehézségekbe ütközött: az általuk végzett teszteken a 7,2 méteres mágnesek eleinte nem érték el a kívánt áramerősséget, csak az átdolgozás után, a harmadik prototípussal (MQXFBP3) tudták a kellő, 7 TeV-nak megfelelő szintet generálni.

Az összesen 100 újonnan telepített mágnes mellett számos új technológiai megoldás integrálásával valósítják meg a mérnökök a HL-LHC projektet, ami a tervek szerint 2029-ben indul. A cél, hogy a luminozitás növelésével legalább ötször-hétszer több ütközést és részecskét sikerüljön generálni, így például az először 2012-ben detektált Higgs-bozonból évi 3 millió helyett 15 milliót hozzanak létre, jobb betekintést nyerve a titokzatos isteni részecske működésébe.

(Fotó: CERN, Lucas Taylor, BNL)