CERN-expert: Large Hadron Collider bereidt zich voor op vier jaar pauze

Over een jaar begint de Large Hadron Collider (LHC) van CERN aan een technische downtime die – inclusief opstarten – bijna vier jaar zal duren. Dr. Malika Meddahi van CERN legt aan PAP uit dat de modernisering van de HL-LHC ongeveer 1 miljard frank (ongeveer 4,5 miljard PLN) kost en de botsing van meer deeltjes in een kleiner volume mogelijk maakt dan nu het geval is.

"Als onderdeel van de modernisering, die volgend jaar van start gaat, is het niet onze bedoeling om de botsingsenergie te verhogen, maar wel het aantal en de kwaliteit van de botsingen", benadrukte dr. Malika Meddahi in een interview met PAP tijdens haar bezoek aan Polen op de Perspektywy Women in Tech Summit-conferentie.

Zodra de upgrade is voltooid, krijgt de LHC een nieuwe naam: High-Luminosity LHC.

De Large Hadron Collider is 's werelds grootste deeltjesversneller. Hij bevindt zich bij CERN, de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek, nabij Genève. Twee bundels hadronen – geladen deeltjes, meestal protonen – circuleren in tegengestelde richting in twee afzonderlijke vacuümbuizen, in een tunnel met een omtrek van ongeveer 27 kilometer, 100 meter onder de grond. De versneller werkt ook met ionen, zoals lood.

Protonen die in tegengestelde richting bewegen, botsen op vier speciaal aangewezen punten met elkaar, in het hart van deeltjesdetectoren. Op de botsingspunten komt een enorme energie vrij (momenteel ongeveer 13,6 tera-elektronvolt - TeV), waarbij gedurende fracties van een seconde exotische deeltjes verschijnen – deeltjes die net na de oerknal bestonden. Detectoren op de botsingspunten registreren gegevens over deze verschijnselen. Diepgaande analyse van deze gegevens stelt wetenschappers in staat de eigenschappen en interacties van elementaire deeltjes beter te begrijpen.

Het was vanaf het begin duidelijk dat de LHC in fasen zou opereren. De eerste fase van dataverzameling, Run 1, liep van 2010 tot 2012. Run 2 liep van 2015 tot 2018. De huidige fase, Run 3, begon in 2022 en duurt tot juni 2026. Tussendoor heeft de versneller regelmatig upgrades en onderhoud ondergaan, waardoor de betrouwbaarheid en efficiëntie zijn toegenomen en nieuwe records zijn gevestigd.

Deze keer is de downtime nodig om de LHC zijn lichtsterkte te laten verbeteren. In de versnellerfysica betekent lichtsterkte het aantal botsingen dat plaatsvindt wanneer deeltjesbundels botsen. De nieuwe bundel zal niet alleen meer deeltjes bevatten, maar ook nauwkeuriger gefocust zijn, wat de kans op botsingen vergroot. De LHC-upgrade zal het totale aantal botsingen met een factor tien verhogen. De "lichtsterkere" LHC zal nauwkeurigere metingen van nieuwe deeltjes en observatie van processen mogelijk maken die tot nu toe buiten het bereik van de detectorgevoeligheid bleven. Dit zal het mogelijk maken om zeldzame verschijnselen te detecteren en onze kennis van het heelal op deze energiegrens te vergroten.

De toegenomen lichtsterkte brengt echter serieuze technologische uitdagingen met zich mee. Als onderdeel van de modernisering zijn nieuwe quadrupoolmagneten nodig om de bundel vast te houden, moeten koelsystemen worden verbeterd en moeten bundeldiagnosesystemen en nieuwe beschermingssystemen worden geïmplementeerd om schade te voorkomen. Ook detectoren en IT-systemen moeten worden gemoderniseerd om de groeiende hoeveelheid te verwerken data aan te kunnen.

Dr. Meddahi legde uit dat het complex van vier voorversnellers, waar deeltjes worden versneld voordat ze in de LHC worden geïnjecteerd, al een grote upgrade heeft ondergaan, dat deze is geïmplementeerd en succesvol is gelanceerd, en dat er nu al routinematig bundels worden verkregen die voldoen aan de HL-LHC-specificatie.

In de LHC-ring zelf, aan weerszijden van de ATLAS- en CMS-experimenten, worden nieuwe supergeleidende quadrupoolmagneten geïnstalleerd, die de bundels vlak voor de botsing focusseren. Ze worden gemaakt van een nieuw supergeleidend materiaal op basis van niobium en tin.

"De upgrade is een enorme onderneming. We moeten kilometers van de versneller openbreken om de nieuwe magneten te installeren. Tegelijkertijd zullen we onderhoud en upgrades uitvoeren aan de bestaande infrastructuur", legde Dr. Meddahi uit.

Zoals Dr. Meddahi uitlegde, is een groot deel van CERN's onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen momenteel gericht op het efficiënter maken van nieuwe apparaten – met minder energie en, waar mogelijk, minder water voor koeling. De energie die uit de installaties wordt teruggewonnen, kan bijvoorbeeld worden gebruikt om infrastructuur in nabijgelegen steden te verwarmen.

De CERN-expert beschreef ook wat er tijdens de lange downtime zal gebeuren. Eerst moet het hele systeem geleidelijk opwarmen van -271 graden Celsius naar kamertemperatuur. "Pas dan kunnen honderden mensen dagelijks de tunnel in om aan hun apparatuur te werken. Dit is een enorme klus. Daarna moet alles weer worden aangesloten, getest, afgekoeld – wat enkele maanden duurt – en opnieuw worden getest. Het zal bijna een jaar duren om de machine klaar te maken voor herstart na voltooiing van de werkzaamheden," merkte ze op.

De onderzoeker voegde eraan toe dat de downtime van de LHC voor CERN-wetenschappers geen onderbreking van hun werk betekent. Ze zullen betrokken zijn bij het ontwerpen, assembleren en testen van nieuwe componenten. Ze zullen ook de data analyseren die zijn verzameld in de lopende Run 3-fase – een proces dat veel tijdrovender is dan het verzamelen van de data zelf.

"Wat we in ons instituut doen, is echte wetenschap voor vrede. We hebben mensen van 110 nationaliteiten die samenwerken, geopolitiek opzijzetten en samenkomen om beter te begrijpen waar we vandaan komen, welke deeltjes er bestonden ten tijde van de oerknal, waar de ontbrekende massa en energie van het heelal zich bevindt... Dit zijn allemaal fascinerende vragen en wij als mensheid zouden ons ermee moeten bezighouden. We moeten ervoor zorgen dat Europa voorop blijft lopen in dit onderzoek - het is echt van grote waarde", verzekerde Dr. Meddahi.

Het Poolse persbureau was mediabeschermheer van de Perspektywy Women in Tech Summit (4-5 juni).

Ludwig Tomal (PAP)

lt/ bar/ mhr/