Минулого тижня почалися роботи з найбільшого масштабного оновлення Великого адронного колайдера за весь час роботи машини. Вже у 2026 році мають розпочатися експерименти на оновленій версії прискорювача - High-Luminosity LHC, або Великому адронному колайдері високої світності. Головна мета майже 10-річного циклу робіт - підвищити вдесятеро швидкість набору експериментальних даних. Апгрейд торкнеться майже півтора кілометра з 27-кілометрового кільця прискорювача, інженерам і фізикам належить встановити більше ста нових надпровідних магнітів, замінити кілометри інженерних комунікацій, десятки одиниць кріогенного обладнання. Але найважливішу роль у роботі оновленого прискорювача зіграють саме магніти. А ми якраз недавно побували в Large Magnet Facility, на головному виробничому майданчику БАК, де розробляються і тестуються надпровідні магніти. Спеціально для читачів ми підготували невелику фотогалерею і розповідь про те, чому нові магніти так важливі в HL-LHC.
Насправді, основне завдання апгрейду до HL-LHC - збільшити світність колайдера. Це спеціальний параметр, який показує, як часто відбуваються взаємодії між протонами із зустрічних пучків прискорювача. Думаючи про те, що у Великому адронному колайдері фізики стикаються протони, ми, швидше за все, уявляємо собі зіткнення двох гарматних ядер. Насправді картина того, що відбувається в колайдері, набагато складніша. Домогтися зіткнення двох одиночних, спеціально обраних протонів при сучасному стані техніки просто неможливо - їх радіус не досягає одного фемтометра (в десятки тисяч разів менше радіусу атома водню), така точність просто недосяжна.
Замість прискорення одиночних протонів колайдер розганяє в 27-кілометровій вакуумній трубі хмарка (згустки), що складаються з десятків мільярдів протонів. Причому одночасно в прискорювачі курсує близько двох з половиною тисяч таких згустків, розділених рівними інтервалами. Коли два таких згустка зустрічаються в центрі детектора одного з експериментів, то хмарка протонів проходять один крізь одного і ймовірність зіткнення частинок зростає на багато порядків. Саме наслідки цих зіткнень проливають світло на світ фізики елементарних частинок.
Щоб збільшити ймовірність зіткнення протонів, здавалося б, потрібно всього лише збільшити щільність протонних хмарок. Але тут є свої складнощі. По-перше, ці протонні згустки самі по собі прагнуть розсіятися через відштовхування однаково заряджених протонів. По-друге, щоб якісно сфокусувати настільки швидкі частинки, необхідні величезні магнітні поля. Тільки розробка магнітів для сучасного БАК зайняла понад десять років: до складу прискорювача входять понад дев'ять тисяч магнітів п'ятдесяти різних видів. Найвідоміші з них - дипольні магніти - не беруть участі у фокусуванні пучка, а лише утримують протони на кругових траєкторіях прискорювача. Зате більш складні квадрупольні, секступольні, октупольні, грудневі магніти якраз запобігають розсіянню згустків. Завдяки їм хмарка протонів стискаються в точках зіткнення пучків до діаметра близько 16 мікрон (розмір хмарка в нефокусуючому дипольному магніті може досягати півтора міліметра).
Обладнання для намотування магнітів
Зараз максимальні поля в магнітах БАК досягають восьми тесла (в сотні тисяч разів більше індукції магнітного поля Землі). Щоб перейти на новий рівень світності, цю величину доведеться збільшити майже в півтора рази - до 11,5 тесла.
Як ми знаємо зі шкільного курсу фізики, магнітне поле електромагніту залежить від декількох параметрів - сили струму, кількості витків і радіусу соленоїду. У вже готовому (з точки зору геометрії магнітів) колайдері найбільший простір для маневру залишає сила струму. Але треба згадати, що вже зараз у надпровідних обмотках магнітів тече величезний струм у 11 тисяч ампер. Звичайні мідні дроти не підходять для проведення таких величезних струмів, особливо в порівняно компактних магнітах БАК. Але і при використанні надпровідних кабелів, що володіють нульовим електричним опором, виникають свої складнощі.
Одна з «котушок» дипольного магніту великим планом
Зараз основний матеріал магнітів БАК - надпровідний інтерметалід ніобію і титану (Nb3Ti), що повністю втрачає свій електричний опір при гелієвих температурах. Однак крім нульового опору у надпровідників є ще одна дуже важлива властивість - вони виштовхують з себе будь-яке зовнішнє магнітне поле. Це так званий ефект Мейсснера, і саме завдяки йому надпровідники здатні левітувати в магнітних полях. Але здатність надпровідників виштовхувати магнітне поле не безмежна - є деяка критична позначка, при перевищенні якої магнітне поле проникає в матеріал і руйнує надпровідність. І це обмежує максимальні поля в ніобій-титанових надпровідних магнітах.
«Котушка» прототипу квадрупольного магніту
На щастя, критичні магнітні поля у різних надпровідників відрізняються. І щоб збільшити індуктивність нових магнітів БАК, інженери переходять на новий інтерметалід - ніобій-олово (Nb3Sn) з набагато кращими критичними характеристиками. Але в новому надпровіднику виникають нові проблеми.
Одна з головних труднощів полягає в тому, що ніобій-олово - дуже крихкий матеріал. Для виготовлення магніту необхідно зробити обмотку з ніобій-олов'яного дроту, що майже напевно призведе до його пошкодження. А будь-який розрив або тріщина може призвести в кінцевому підсумку до аварії, що подібна сталася в 2008 році і зупинила роботу БАК на рік. Тому інженерам доводиться спочатку робити обмотку з несверхпровідного сплаву ніобію і олова, і лише потім перетворювати його в інтерметалід-надпровідник за допомогою випалу.
Звідси виникає друга проблема - більш складний технологічний процес виготовлення надпровідника. Ніобій-олов'яний сплав вимагає випалу при 650 градусах Цельсія протягом декількох днів, щоб у ньому відбувся відповідний фазовий перехід. Робоча температура магнітів - близько двох кельвінів. Такий розкид температур, через який доводиться пройти магніту при виготовленні і використанні, сильно збільшує ризик виникнення тріщин у матеріалах через температурне стиснення і розширення. Через такі складнощі при випалі був зруйнований кабель в одному з дорогих прототипів нових магнітів.