Die Verkabelung für das LHC-Upgrade ist abgeschlossen

May 30, 2023

Um die Funktionsweise unseres Universums besser zu verstehen, rüsten Forscher den leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt auf: den Large Hadron Collider (LHC). Heute hat ein Team des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des Energieministeriums einen entscheidenden Schritt bei der Modernisierung abgeschlossen und mehr als 2220 km (1367 Meilen) Draht in Kabel für die nächste Generation von Fokussierungsmagneten am LHC umgewandelt.

Die Magnete werden die stärksten ihrer Art sein und die Anzahl der Kollisionen in den beiden Allzweckdetektoren des LHC, ATLAS und CMS, erheblich erhöhen. Mehr Kollisionen erzeugen mehr Daten, was bedeutet, dass Wissenschaftler besser nach seltenen und unentdeckten Phänomenen suchen und einige der größten Rätsel der Physik erforschen können – Dinge wie den Ursprung der Masse und die Natur der Dunklen Materie und Dunklen Energie.

„Supraleitende Magnete ermöglichen die am LHC produzierte Wissenschaft, und wir haben ein hervorragendes Team aus mehreren Labors, das die Grenzen der Magnettechnologie vorantreibt“, sagte Soren Prestemon, Direktor des Berkeley Center for Magnet Technology. „Zum ersten Mal werden wir die außergewöhnlichen Eigenschaften des Niob-Zinn-Supraleiters in einem laufenden Collider nutzen.“

Der erste Schritt bei der Herstellung dieser Magnete besteht darin, supraleitenden Draht in Kabel umzuwandeln, die dann zu Magnetspulen gewickelt werden können. Aber die Herstellung dieser Kabel ist keine leichte Aufgabe. Jedes der 111 Kabel ist ein einzelnes, durchgehendes Stück, das aus 40 einzelnen Drahtsträngen besteht, die um einen Kern aus rostfreiem Stahl gewickelt sind. Würde sich auch nur ein Draht irgendwo auf der gesamten Länge – typischerweise 470 Meter – kreuzen, wäre das Kabel zerstört. Die Bemühungen erforderten die Zusammenarbeit von Experten der Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP) Division und der Engineering Division des Berkeley Lab.

„Wir sind wie der Direktor einer Ballettkompanie“, sagte Ian Pong, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter bei ATAP, der die Verkabelungsaufgabe leitet. „Wir haben 40 Tänzer – die Drahtspulen –, die während des etwa dreistündigen Laufs im Kreis Pirouetten drehen, und unsere Verantwortung besteht darin, sicherzustellen, dass während der gesamten Aufführung kein einziger Schritt verpasst wird.“

Die Herstellung der Kabel ist Teil des Accelerator Upgrade Project (AUP), dem US-Beitrag zum High-Luminosity LHC (HL-LHC)-Projekt. Vier Institutionen arbeiten zusammen, um die Magnete für AUP zu entwerfen, herzustellen und zu testen: Berkeley Lab, Brookhaven National Laboratory, das National High Magnetic Field Laboratory der Florida State University und das Fermi National Accelerator Laboratory, das das Projekt leitet.

„Während jeder Schritt des Magnetbauprozesses von gleicher Bedeutung ist, kann keiner der anderen Schritte durchgeführt werden, ohne zunächst über hochwertige supraleitende Kabel zu verfügen“, sagte Mike Naus, wissenschaftlicher Ingenieur bei ATAP und stellvertretender Aufgabenleiter.

Seit 2016 wickelt das Berkeley Lab AUP-Kabel auf und schickt sie auf eine monatelange Reise, um zu Magneten zu werden. Die Kabel werden im Brookhaven Lab und im Fermilab aufgewickelt und wärmebehandelt, bevor sie zum Berkeley Lab zurückkehren, wo vier Spulen zu Magneten, sogenannten Quadrupolen, zusammengebaut werden. Im Fermilab werden Quadrupole zu „Kryo-Baugruppen“ zusammengefügt, getestet und an das CERN verschifft, wo sie später in diesem Jahrzehnt während einer langen Abschaltung des LHC installiert werden.

„Das sind sehr hochtechnologische Geräte, an denen Menschen aus allen Teilen der USA beteiligt sind“, sagte Jean-Francois Croteau, ein Postdoktorand bei ATAP, der an der Qualitätssicherung der Kabel arbeitete. „Es ist beeindruckend, dass all diese Labore daran beteiligt sind, etwas zu schaffen, das keines von ihnen alleine schaffen könnte.“

Die Herstellung der neuen Magnete aus Niob-Zinn ermöglicht größere Magnetfelder als alle bisherigen Magnete aus Niob-Titan. Die Magnete werden mit etwa 12 Tesla arbeiten, mehrere Hunderttausend Mal stärker als das Erdmagnetfeld. Sie werden mit einer längeren Version von Quadrupolmagneten zusammenarbeiten, die derzeit am CERN hergestellt werden (wo die supraleitende Kabelwicklung zu 70 % fertig ist).

Gemeinsam werden die fokussierenden Magnete die Teilchenstrahlen des LHC zu dichten Bündeln zusammenpressen und so die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass Teilchen interagieren. Nach der Modernisierung wird der High-Luminosity LHC in der Lage sein, zwischen 5 und 7,5 Milliarden Protonenkollisionen pro Sekunde zu erzeugen (im Vergleich zu derzeit 1 Milliarde), und Wissenschaftler gehen davon aus, dass er mindestens 15 Millionen Higgs-Bosonen pro Jahr produzieren wird.

Unweit der Verkabelungsmaschine liegen Stapel von Pizzakartons mit Barcodes. Jeder hält eine Probe eines Kabels in der Hand – eine Aufzeichnung dessen, was produziert wurde und eines der vielen Elemente der Qualitätskontrolle. Das Team des Berkeley Lab nutzte eine Kombination aus Kameras, Mikroskopen sowie elektrischen und mechanischen Tests, um sicherzustellen, dass die Kabel ihren genauen Spezifikationen entsprachen. Beispielsweise darf die Dicke des Kabels über die gesamte Länge in beide Richtungen um nicht mehr als 10 Mikrometer variieren, was etwa einem Zehntel der Breite eines menschlichen Haares entspricht.

Jedes Kabel war ursprünglich ein Bündel chaotischer Drähte, die von Technikern in Ordnung gebracht wurden. Nach der Inspektion eines Qualifikationsmusters begann das Team mit der dreistündigen, ununterbrochenen Verkabelungsfahrt.

„Wir wollten die ganze Aufregung während der Vorkontrollen und außerhalb der Kabelstrecken erleben“, sagte Andy Lin, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter bei ATAP, der den technischen Verkabelungsbetrieb für das Projekt leitet und die Maschine seit 2015 bedient. „Während der Produktion Wir könnten Mikroanpassungen vornehmen, wie zum Beispiel den Maschinenkopf um einen Tausendstel Zoll bewegen – aber jede Aktion, die wir während des Laufs vornehmen, ist ein Risiko, also haben wir versucht, es nicht zu tun, es sei denn, es musste sein.“

Zwanzig Fuß entlang der Leitung erfassten Kameras alle vier Seiten des abgeflachten Kabels über die gesamte Länge und stellten sicher, dass sich keine Drähte kreuzten. Für die Überprüfung jedes Kabels werden fast 50.000 Bilder oder etwa 5 Millionen im gesamten AUP benötigt.

Im Laufe des Projekts lernten die Forscher immer mehr über die Verkabelungsmaschine und wie kleine Änderungen subtile Unterschiede im endgültigen Kabel bewirken können. Etwas so Einfaches wie die Stelle, an der die Drähte geschmiert wurden oder ob ein Büroventilator auf die Maschine gerichtet war, könnte das Endprodukt beeinflussen. Sie haben auch Verbesserungen vorgenommen, beispielsweise die Beschleunigung des Codes, der die Bilder analysiert, sodass er nahezu in Echtzeit ausgeführt werden kann.

„Wir treiben das Mögliche beim Bau dieser neuen Kabel voran“, sagte Cameron Geddes, der Direktor von ATAP. „Während diese Magnete eine neue Generation der Grundlagenphysik antreiben, sind die Techniken, die wir im Rahmen dieses Projekts entwickelt haben, ein Schritt hin zu noch leistungsfähigeren zukünftigen Beschleunigern.“

Um die Kabel zu formen, wird die Drahtverdrillung zu einem flachen Kabel im „Rutherford-Stil“ geformt, wodurch der Draht an den Kanten verformt wird. Um die Anordnung und Integrität der Drähte sicherzustellen, schnitten die Forscher sorgfältig einen Abschnitt vom Ende jedes Kabels zur Inspektion und Prüfung ab, einschließlich Messungen bei extrem kalten (kryogenen) Temperaturen. Anschließend wurde jede Probe in ihrem Pizzakarton archiviert und die volle Kabelspule sicher verpackt und zur nächsten Stufe transportiert.

Während der Verkabelungsschritt für AUP nun abgeschlossen ist, fahren die Teams der kooperierenden Institutionen mit der Montage der Fokussierungsmagnete fort. Das Berkeley Lab geht davon aus, dass die Herstellung der Quadrupole im Jahr 2025 abgeschlossen sein wird, und die Forscher planen, den HL-LHC im Jahr 2029 in Betrieb zu nehmen.

„Die Magnete für das Accelerator Upgrade Project sind Spitzentechnologie und beginnen mit den außergewöhnlichen Kabeln, die im Berkeley Lab hergestellt werden“, sagte Giorgio Apollinari, Fermilab-Wissenschaftler und HL-LHC AUP-Projektmanager. „Wir haben noch viel zu tun, aber dies ist ein bedeutender Meilenstein auf unserem Weg zum HL-LHC und den Entdeckungen, die er bringen könnte.“

Diese Arbeit wird vom DOE Office of Science High Energy Physics-Programm unterstützt.

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Das Lawrence Berkeley National Laboratory und seine Wissenschaftler wurden 1931 mit der Überzeugung gegründet, dass die größten wissenschaftlichen Herausforderungen am besten von Teams bewältigt werden können, und wurden mit 16 Nobelpreisen ausgezeichnet. Heute entwickeln Forscher des Berkeley Lab nachhaltige Energie- und Umweltlösungen, schaffen nützliche neue Materialien, erweitern die Grenzen der Computertechnik und erforschen die Geheimnisse des Lebens, der Materie und des Universums. Wissenschaftler aus der ganzen Welt verlassen sich für ihre eigenen wissenschaftlichen Entdeckungen auf die Einrichtungen des Labors. Berkeley Lab ist ein nationales Multiprogrammlabor, das von der University of California für das Office of Science des US-Energieministeriums verwaltet wird.

Das Office of Science des DOE ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter energy.gov/science.