In einer Woche ist der Start des Large Hadron Collider live zu sehen • Igor Ivanov • Science News zu "Elements" • LHC, Physik

In einer Woche ist der Start des Large Hadron Collider live zu sehen.

Ereignisse, die während des zweiten Tests des LHC-Injektionskomplexes durch den LHCb-Detektor detektiert wurden. Bild von cern.ch

Vor dem Start des LHC, der am 10. September stattfinden wird, sind es nur noch wenige Tage. Bis jetzt läuft alles nach Plan, und für die verbleibenden Tage und für den 10. September selbst ergibt sich ein endgültiger detaillierter Zeitplan.

Allgemeines LHC-Schema

Um die Vorbereitungsarbeiten am LHC besser zu verstehen, sollten Sie sich den allgemeinen Plan des Beschleunigers anschauen.

Der gesamte LHC-Ring ist in acht Sektoren unterteilt, deren Grenzen durch Punkte von 1 bis 8 markiert sind. An jeder Stelle (1-2, 2-3 usw.) befindet sich eine Reihe von Magneten, die den Protonenstrahl steuern. Aufgrund des Magnetfeldes der rotierenden Magnete fliegen Protonenbündel nicht tangential weg, sondern rotieren ständig und verbleiben im Beschleunigerring. Diese Magnete bilden eine Bahn, auf der sich Protonen bewegen. Zusätzlich schränken spezielle Fokussiermagnete die Transversalschwingungen von Protonen relativ zur "idealen" Umlaufbahn ein und verhindern, dass sie die Wände mit einem ziemlich engen (mehrere Zentimeter im Durchmesser aufweisenden) Vakuumrohr berühren.

Der allgemeine Plan des Rings LHC Vorbeschleuniger SPS.Die Pfeile zeigen die Bewegungsrichtung der Protonen an. (Figur Autor der Nachrichten)

Da im LHC zwei Gegenprotonenstrahlen zirkulieren, befinden sich nämlich innerhalb des LHC zwei Vakuumröhren nebeneinander, die nur an besonders bezeichneten Stellen – an den Punkten 1, 2, 5, 8 – zu einem einzigen zusammengefasst sind. An diesen Stellen treten Kollisionen auf Protonenstrahlen, und um sie herum werden vier Hauptdetektoren gebaut: zwei große – ATLAS und CMS, und zwei mittlere – ALICE und LHCb.

Am Punkt 4 befindet sich der Beschleunigungsabschnitt. Hier werden die Protonenstrahlen während der Beschleunigung mit jeder Umdrehung zusätzliche Energie erhalten. An Punkt 6 befindet sich das Strahlentladesystem. Dort sind Schnellmagnete installiert, die bei Bedarf die Strahlen entlang eines speziellen Kanals vom Beschleuniger wegbringen. Diese Magnete werden im Notfall, bei Gefahr der Beschädigung des Gerätestrahls sowie alle paar Stunden während des Betriebs eingeschaltet – um den verdünnten Strahl wegzuwerfen und einen neuen aufzunehmen. Die Punkte 3 und 7 sind möglichen zukünftigen Experimenten oder anderen Geräten vorbehalten.

Protonenstrahlen treten vom SPS-Vorbeschleuniger in den LHC ein.Die Strahlübertragungslinien (Tl2 und Tl8), die diese beiden Ringbeschleuniger mit jeweils speziellen Magneten verbinden, bilden zusammen den Injektionskomplex des LHC-Beschleunigers (aus dem Wort "Injektion" – Injektion des Strahls). Da der SPS-Strahl nur in eine Richtung rotiert, besteht der Injektionskomplex aus zwei getrennten Teilen und hat ein asymmetrisches Aussehen. Die Protonen treten aus einer Kette kleinerer und sogar niederenergetischer Beschleuniger in den SPS-Beschleunigerring ein.

Aktuelle Situation

Laut der Pressemitteilung des CERN ist der Start des Collider für Mittwoch, den 10. September geplant. Langfristige Arbeit an der Erstellung einzelner Komponenten und deren Montage zu einem Ganzen geht zu Ende. In den letzten Monaten erfolgte eine allmähliche Abkühlung des gesamten Beschleunigers auf eine Arbeitstemperatur von 1,9 K (-271,25 ° C). Eine derart niedrige Temperatur wird aus zwei Gründen benötigt. Auf der einen Seite werden rotierende Magnete bei einer solchen Temperatur nicht nur supraleitend, sondern können auch ein sehr starkes Magnetfeld halten, ohne die Supraleitung zu zerstören. Auf der anderen Seite wird flüssiges Helium, das die elektrische Verdrahtung dieser Magnete durchdringt, superflüssig und kühlt es sehr effizient ab.Die Abkühlung der Magnete ist notwendig, weil Protonen von Zeit zu Zeit Protonen ablösen, die durch das Durchdringen der Magnete diese erhitzen.

Mitte August wurde die Kühlung abgeschlossen und die elektrische Ausrüstung der Magnete wurde getestet. Die aktuelle Temperatur in allen acht LHC-Sektoren wird auf der Abkühlungsstatus-Seite angezeigt. Alle mit dem LHC durchgeführten Vorgänge können auf der Kalender-Seite des Google Checkout-Kalenders nachverfolgt werden.

Parallel zur Abkühlung der letzten LHC-Sektoren wurden zwei Testreihen zur Protoneninjektion vom SPS-Vorbeschleuniger in den Haupt-LHC-Ring erfolgreich durchgeführt. Am 8. und 10. August wurde die Tl2-Übertragungsleitung getestet (im Diagramm in Burgund dargestellt), und am 22. und 24. August wurde die Tl8-Übertragungsleitung (in blau dargestellt) getestet. Bei jedem Test traten Protonenstrahlen nicht nur in den Hauptring des LHC ein, sondern gingen auch durch einen Sektor (dh zu den Punkten 3 bzw. 7), wo sie von Schutzschilden – Kollimatoren – absorbiert wurden. Übrigens, während des zweiten Tests, als Protonenstrahlen den LHCb-Detektor passierten, wurden im Detektor selbst die Ereignisse von Protonenkollisionen mit Restgasmolekülen in der Vakuumkammer aufgezeichnet (siehe die obige Abbildung).Eine kurze Zusammenfassung der Ergebnisse dieser Tests finden Sie in unserem LHC-Newsfeed. Alle technischen Details finden Sie auf der offiziellen LHC-Injektionstestseite.

Die Melder selbst sind bereits auf den Rund-um-die-Uhr-Service-Modus umgestiegen: In ihren Kontrollräumen befinden sich ständig mehrere Personen, auch nachts, die die Funktion aller Meldersysteme überwachen.

Was in den nächsten Tagen zu tun ist

Am Ende der nächsten Woche werden die letzten Manipulationen mit dem "Eisen" von Detektoren enden. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Detektoren zu 100% einsatzbereit sind – in der Winterpause wird etwas erledigt. Im Allgemeinen werden die Detektoren zusammengebaut und sind bereit, die ersten Ereignisse zu empfangen. Am 4. und 5. September werden die Experimentierhallen versiegelt, im Beschleunigerrohr wird ein ausreichend tiefes Vakuum erzeugt und der LHC wird für die neuesten Inspektionen bereit sein.

Am Wochenende, vom 5. September bis 7. September, wird der dritte, letzte Test des Protoneninjektionssystems durchgeführt (Details finden Sie auf der gleichen Seite der LHC-Injektionstests). Sorgfältige Analyse früherer Tests zeigte, dass das magnetische System leicht angepasst werden sollte, um die Strahlbahn zu korrigieren.Eine neue Testreihe wird sicherstellen, dass die Korrekturen das Verhalten der Strahlen wirklich verbessern.

Dann, am 8. und 9. September, werden die letzten Kontrollen der gesamten LHC-Infrastruktur durchgeführt, und danach wird der Beschleuniger für einen vollständigen Start bereit sein.

Zeitplan für 10. September

Wenn für die verbleibenden Tage nichts Unerwartetes passiert, werden am Mittwochmorgen, dem 10. September, Protonenstrahlen in den Beschleuniger geworfen. LHC wird als funktionierend angesehen, wenn Protonenstrahlen stabil in ihm zirkulieren, auch wenn sie nicht miteinander kollidieren.

Der erste Start des Protonenstrahls an diesem Tag wird um 9:30 Uhr MEZ (um 11:30 Uhr Moskauer Zeit) erfolgen. Es ist schwer vorherzusagen, wie gut der Startprozess verlaufen wird, aber Mindestaufgabe für diesen Tag – um sicherzustellen, dass Protonenbündel in beiden Richtungen mindestens eine volle Umdrehung passieren. Der Protonenstrahl wird Sektor für Sektor allmählich in den Beschleuniger eingeleitet. Anfangs wird der Strahl entlang der Übertragungsleitung aus dem Vorbeschleuniger genommen und ruht auf den Schutzschirmen am Eingang zum LHC. Dann werden die Schirme entfernt, und der Strahl wird entlang des Bogens zum nächsten Kontrollpunkt gehen, wo er von den Kollimatoren absorbiert wird (dieser Schritt wurde bereits während der Tests des Injektionssystems bestanden).Wenn an diesem Punkt die Trajektorie in Ordnung ist, werden sich die Kollimatoren auseinander bewegen und der Strahl wird weiter zur nächsten Kontrollzone gehen, wo sich die Trajektorienprüfung wiederholt.

Der kritische Moment wird kommen, wenn die letzten Klappen im Weg der Protonen entfernt werden, und der Strahl wird eine volle Umdrehung machen, um zur nächsten Runde zu gelangen. Auf der einen Seite wird der Orbit geschlossen und die minimale Aufgabe wird abgeschlossen. Aber dann kann eine Situation entstehen, dass das magnetische System beginnt, die Transversalschwingungen des Strahls zu "schwingen". Dann wird es in einigen Umdrehungen die Stabilität verlieren und aus der Umlaufbahn absteigen. Wenn die Elektronik dies bemerkt, wird der Strahl zur Vermeidung unerwünschter Folgen sofort "fallen gelassen" – das heißt, er wird durch einen speziellen Kanal herausgeführt und von einer speziellen massiven Einheit absorbiert. Daher kann es passieren, dass der Staat "LHC läuft und läuft"Nur ein kurzer Augenblick wird andauern (daran erinnern, dass die Protonen weniger als eine Zehntausendstel Sekunde pro Umdrehung um den LHC-Ring benötigen).

Maximale Aufgabe für diesen Tag: Löse und halte einen Haufen Protonen für eine lange (für menschliche Verhältnisse) lange Zeit im Orbit.Es kann sogar möglich sein, zwei in entgegengesetzte Richtungen zirkulierende Gerinnsel gleichzeitig zu halten. Dies bedeutet, dass das gesamte komplexe Mehrelementsystem der Magnetstrahlsteuerung korrekt zusammengebaut wurde, dass es den Strahl nicht "schwingt", sondern im Gegenteil seine Schwingungen erfolgreich zurückhält.

Am 10. September startet ab 8:30 Uhr eine Online-Übertragung vom Server webcast.cern.ch. Die Entwicklung der Veranstaltungen wird von vielen Medien abgedeckt, einschließlich Fernsehkanälen, die über das Eurovision-Netzwerk ein "Bild" erhalten können. Einzelheiten zum Ereignis finden Sie auf der LHC First beam Seite.

Was folgt als nächstes

Nachdem eine stabile Strahlzirkulation im LHC erreicht ist, beginnt die Testphase des arbeitenden Colliders. Die Beschleunigerringöffnung wird gemessen (dh die Breite der Lücke, in der der Strahl oszillieren kann, ohne die Wände der Vakuumkammer und der Ausrüstung zu bedrohen), die Reaktion des Strahlengangs auf bestimmte Magnetfeldkorrekturen wird überprüft und die Prozedur zur Beschleunigung von Protonen auf 5 TeV wird bereinigt. Mit anderen Worten, es wird eine Phase der Untersuchung der Parameter des LHC selbst sein.

Detektoren werden zu dieser Zeit auch nicht untätig sein.Auch ohne Proton-Proton-Kollisionen wird erwartet, dass sie seltene Protonenkollisionen mit Restgasmolekülen in einer Vakuumkammer registrieren. Die Erkennung solcher Ereignisse wird verwendet, um den koordinierten Betrieb zu überprüfen und verschiedene Komponenten der Detektoren zu debuggen.

Die Möglichkeit, die ersten Proton-Proton-Kollisionen bereits 1-2 Wochen nach dem Start des LHC zu arrangieren, wird diskutiert. Da der Beschleunigerabschnitt zu diesem Zeitpunkt noch nicht getestet wurde, haben die Protonen die Energie, die sie während der Injektion in den LHC hatten, dh sie wären Kollisionen mit einer Gesamtenergie von 0,9 TeV. Selbst eine kurze Sitzung solcher Kollisionen wird für das Debugging von Detektoren sehr nützlich sein.

Es wird etwa zwei Monate dauern, den Beschleuniger vollständig zu debuggen, so dass erste Kollisionen mit einer Gesamtenergie von 10 TeV frühestens Ende Oktober erwartet werden.

Wir erinnern Sie daran, dass wir alle interessanten Ereignisse am LHC im LHC News Feed verfolgen.

Quelle: T. Wengler. "ATLAS and the LHC" // Bericht auf der Arbeitstagung "ATLAS Physics and Performance Workshop" vom 26. bis 29. August 2008.

Igor Iwanow


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