LHC重启之前,CERN在干什么?

作者: 肖恩·贝利

来源: 《环球科学》

发布日期: 2015-04-03

CERN的加速器和技术部主任弗雷德里克·博尔德里接受专访,介绍了LHC在重启前的维护工作和改进措施,包括磁体连接的强化和超导磁体的淬炼过程,以及实验启动前的准备工作。

在经过18个月的休整后,欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)即将重新启动。CERN的加速器和技术部主任弗雷德里克·博尔德里(Frédérick Bordry)接受了《科学美国人》法国版的专访,介绍了他们对LHC所做的改进,以及实验正式启动前各项功能的恢复工作。

大型强子对撞机于2009年11月启动运行,我们采集数据的时间持续到2013年2月,在此期间LHC没有发生过大的技术上的停顿。LHC用周长为27千米的环形隧道为质子束或离子束加速,为使粒子束的运行轨迹弯曲、更好地适应环形隧道,我们决定使用低温冷却至1.9k(约-271℃)的强力超导磁体。因此,这需要一段时间来调整并重新启动。

我们曾打算在2012年执行为期一年的维护工作,但当时对希格斯玻色子的研究已取得突破,于是暂停运行的安排被推迟至2013年。

经过上万个小时的操作,我们对某些零部件,例如低温压缩机系统进行了重新改装。我们也改进了某些还没达到预期效果的加速器和探测器组件。我们发现LHC的两个超导磁体之间的连接弧存在近600米的破损,磁体的不稳定有可能令其突然失去超导特性,由此造成电阻突然增大。电阻增大后我们必须迅速减小电力系统中的电流,否则系统中的能量聚集会带来温度的急剧升高,就将重演2008年的液氦泄露事件。

在2009年到2012年间,我们采用能量上限为7万亿电子伏特的质子束进行碰撞试验,而在2013年初,质子束能量上限为8万亿电子伏特。那时我们在磁体中通的电流是相对比较低的。然而,LHC在未来需要用14万亿电子伏特的质子束进行碰撞试验,因此我们必须强化磁体之间的连接,以便容纳更大的电流强度,而不至于失去超导性。

为此,大型强子对撞机内部30%的连接已经得到了修整,同时还安装了相关的分支系统,参与加速器引擎改进工作的工作人员总共达到了1 600人。

这是一个时间问题。为了使一块新的超导磁体达到使用要求,我们必须对它进行“淬炼”:先慢慢增加通过磁体的电流强度,直到它到达失去超导性的临界点,然后再冷却,并不断重复以上过程。

一开始,加的电流可能很小,但在淬炼的过程中,磁铁的微观结构取向会慢慢变化,能忍受的临界电流就会不断增强,直到最后在很高的电流下仍能保持超导性,当临界电流值达到实验要求时,淬炼就完成了。我们估计,要想让能量达到13万亿电子伏特,每个部分的磁体都需要淬炼10到15次,而要想达到14万亿电子伏特,则需要再多淬炼10次。

机器在13万亿电子伏特下工作一年以后,我们会检查一下,看看它能不能达到14万亿电子伏特。

我们预计LHC的8个组成部分将在3月底全部启动,之后我们将开始注入质子束,并用两个月的时间来进行校准。这是我们的预期目标,希望到那时物理学家可以着手开展工作,比如,研究希格斯玻色子的特性,尝试寻找新的物理学现象,甚至可能用它发现新的粒子。

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