Newswise – برای درک بهتر نحوه عملکرد جهان ما، محققان در حال ارتقای قدرتمندترین شتاب دهنده ذرات جهان: برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) هستند. امروز، تیمی در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی وزارت انرژی (آزمایشگاه برکلی) یک گام مهم در ارتقاء را تکمیل کردند و بیش از 2220 کیلومتر (1367 مایل) سیم را به کابل برای نسل بعدی آهنرباهای متمرکز در LHC تبدیل کردند.
آهنرباها در نوع خود قدرتمندترین خواهند بود و تعداد برخوردها را در دو آشکارساز همه منظوره LHC، ATLAS و CMS، بسیار افزایش خواهند داد. برخوردهای بیشتر داده‌های بیشتری تولید می‌کنند، به این معنی که دانشمندان می‌توانند بهتر به جستجوی پدیده‌های نادر و کشف‌نشده بپردازند و برخی از بزرگترین اسرار در فیزیک را کشف کنند – چیزهایی مانند منشاء جرم و ماهیت ماده تاریک و انرژی تاریک.
سورن پرستمون، مدیر مرکز فناوری مغناطیسی برکلی، گفت: «آهن‌ربای‌های ابررسانا، علم تولید شده در LHC را قادر می‌سازد، و ما یک تیم چند آزمایشگاهی برجسته داریم که مرزهای فناوری مغناطیسی را پیش میبرد. برای اولین بار، ما از خواص خارق‌العاده یک ابررسانای نیوبیم-قلع در یک برخورددهنده در حال کار استفاده خواهیم کرد.»
اولین گام در ایجاد این آهنرباها تبدیل سیم ابررسانا به سیم است که می تواند به سیم پیچ های مغناطیسی پیچیده شود. اما ساخت این کابل ها کار ساده ای نیست. هر یک از 111 کابل یک قطعه منفرد و پیوسته است که با پیچاندن 40 رشته سیم جداگانه در اطراف یک هسته فولادی ضد زنگ ساخته شده است. اگر حتی یک سیم در تمام طول خود – معمولاً 470 متر – از سیم دیگر عبور کند، کابل خراب می شود. این تلاش نیازمند همکاری کارشناسان بخش فناوری شتاب دهنده و فیزیک کاربردی (ATAP) و بخش مهندسی آزمایشگاه برکلی بود.
ایان پونگ، یکی از همکاران پژوهشی در ATAP که وظیفه سیم‌کشی را رهبری می‌کرد، می‌گوید: «ما مانند مدیر یک شرکت باله هستیم. ما 40 رقصنده – قرقره های سیمی – پیروئت در یک دایره در حدود سه ساعت داریم و این وظیفه ماست که مطمئن شویم در کل اجرا حتی یک قدم هم از دست نرفته است.”
ایجاد این کابل ها بخشی از پروژه ارتقاء شتاب دهنده (AUP) است که کمک ایالات متحده به پروژه LHC با درخشندگی بالا (HL-LHC).. چهار مؤسسه برای طراحی، تولید و آزمایش آهنرباها برای AUP همکاری می‌کنند: آزمایشگاه برکلی، آزمایشگاه ملی بروکهاون، آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی بالا دانشگاه ایالتی فلوریدا و آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده فرمی که این پروژه را هدایت می‌کند.
مایک ناوس، یکی از همکاران مهندسی تحقیقاتی در ATAP و معاون رهبر وظیفه می‌گوید: «در حالی که هر مرحله از فرآیند ساخت آهنربا به یک اندازه مهم است، هیچ یک از مراحل دیگر را نمی‌توان بدون داشتن سیم‌های ابررسانا با کیفیت بالا انجام داد.
از سال 2016، آزمایشگاه برکلی سیم های AUP را سیم پیچ می کند و آنها را به یک سفر یک ماهه می فرستد تا آنها را به آهنربا تبدیل کند. کابل ها قبل از بازگشت به آزمایشگاه برکلی، در آزمایشگاه بروکهاون و فرمیلب، سیم پیچ شده و تحت عملیات حرارتی قرار می گیرند، جایی که چهار سیم پیچ در آهن ربا به نام چهار قطبی مونتاژ می شوند. در Fermilab، چهارقطبی‌ها در «مجموعه‌های سرمایی» به هم متصل می‌شوند که آزمایش شده و به سرن ارسال می‌شوند، جایی که در طول تعطیلی طولانی LHC در اواخر این دهه نصب خواهند شد.
Jean-Francois Croteau، یکی از همکاران فوق دکتری در ATAP که در زمینه تضمین کیفیت کابل کار می کند، گفت: “اینها تجهیزات بسیار پیشرفته ای هستند که افراد را از سراسر ایالات متحده درگیر می کنند.” جالب است که همه این آزمایشگاه‌ها برای خلق چیزی که هیچ‌کدام به تنهایی نمی‌توانستند انجام دهند، مشارکت می‌کنند.»
ساخت آهنرباهای جدید از نیوبیم قلع میدان های مغناطیسی بزرگتری نسبت به آهنرباهای قبلی ساخته شده از نیوبیم-تیتانیوم امکان پذیر است. آهنرباها تقریباً با 12 تسلا کار خواهند کرد که چندین صد هزار بار قوی تر از میدان مغناطیسی زمین است. آنها در ارتباط با یک نسخه طولانی تر از آهنرباهای چهارقطبی که در حال حاضر توسط سرن تولید می شوند (جایی که سیم پیچ کابل ابررسانا 70٪ کامل شده است) کار خواهند کرد.
آهنرباهای فوکوس کننده با هم، پرتوهای ذرات LHC را به خوشه های محکم فشرده می کنند و احتمال برهمکنش ذرات را افزایش می دهند. پس از ارتقاء، LHC با درخشندگی بالا قادر خواهد بود بین 5 تا 7.5 میلیارد برخورد پروتون در ثانیه (از 1 میلیارد فعلی) ایجاد کند و دانشمندان انتظار دارند حداقل 15 میلیون برخورد پروتون ایجاد کند. بوزون های هیگز در سال.
ایجاد کابل عالی
نه چندان دور از دستگاه سیم کشی پشته هایی از جعبه پیتزا با کد نواری قرار دارد. هر کدام شامل یک نمونه کابل است – رکوردی از آنچه تولید شده و یکی از بسیاری از موارد کنترل کیفیت. تیم آزمایشگاه برکلی از ترکیبی از دوربین‌ها، میکروسکوپ‌ها و آزمایش‌های الکتریکی و مکانیکی استفاده کردند تا مطمئن شوند که کابل‌ها مشخصات دقیق خود را دارند. به عنوان مثال، ضخامت در تمام طول کابل نمی تواند بیش از 10 میکرون در هر جهت متفاوت باشد، یعنی حدود یک دهم عرض یک موی انسان.
هر کابلی زندگی خود را به صورت دسته ای از سیم های آشفته آغاز می کند که تکنسین ها به ترتیب آنها را مرتب می کنند. پس از بررسی یک نمونه صلاحیت، تیم سیم کشی مداوم 3 ساعته را آغاز می کند.
اندی لین، یکی از همکاران مهندسی تحقیقاتی در ATAP که عملیات سیم‌کشی فنی پروژه را رهبری می‌کند و از سال 2015 دستگاه را راه‌اندازی کرده است، گفت: «ما تمام هیجان را در طول بازرسی‌های اولیه و خارج از کابل می‌خواستیم.» «در طول تولید، ما می‌توانیم تنظیمات کوچکی مانند حرکت دادن سر دستگاه به یک هزارم اینچ انجام دهیم – اما هر اقدامی که در زمان اجرا انجام می‌دهیم یک خطر است، بنابراین سعی کرده‌ایم این کار را انجام ندهیم مگر اینکه مجبور باشیم.
بیست فوت پایین تر، دوربین ها هر چهار طرف کابل صاف شده را در تمام طول آن ثبت کردند و مطمئن شدند که سیم های متقاطع وجود ندارد. بررسی هر کابل تقریباً 50000 تصویر یا تقریباً 5 میلیون تصویر در AUP می گیرد.
در طول عمر پروژه، محققان بیشتر و بیشتر در مورد دستگاه سیم کشی و اینکه چگونه تغییرات کوچک می تواند تفاوت های ظریفی را در کابل نهایی ایجاد کند، یاد گرفتند. چیزی به سادگی جایی که گریس روی سیم ها زده شده یا اینکه فن اداری به سمت دستگاه هدایت شده است می تواند بر محصول نهایی تأثیر بگذارد. آنها همچنین بهبودهایی مانند سرعت بخشیدن به کدهایی که تصاویر را تجزیه و تحلیل می کند تا در زمان واقعی کار کنند، انجام دادند.
کامرون گدس، مدیر ATAP گفت: «ما در ساخت این کابل‌های جدید تا حد امکان در حال پیشرفت هستیم. “در حالی که این آهن رباها نسل جدیدی از فیزیک بنیادی را نیرو می دهند، تکنیک هایی که ما در طول این پروژه توسعه دادیم، پله ای برای شتاب دهنده های آینده قوی تر است.”
برای شکل دادن به کابل ها، پیچش سیم به یک کابل تخت به سبک رادرفورد تبدیل می شود و سیم را در انتهای آن تغییر شکل می دهد. برای اطمینان از چیدمان و یکپارچگی سیم‌ها، محققان بخشی از انتهای هر کابل را برای بازرسی و آزمایش، از جمله اندازه‌گیری در دماهای بسیار پایین (برودتی) با دقت قطع کردند. سپس هر نمونه در جعبه پیتزا بایگانی شد و قرقره کامل کابل با خیال راحت بسته بندی شد و به مرحله بعدی منتقل شد.
در حالی که مرحله سیم‌کشی برای AUP اکنون کامل شده است، تیم‌هایی در موسسات همکار به مونتاژ آهنرباهای متمرکز ادامه می‌دهند. آزمایشگاه برکلی انتظار دارد تولید چهار قطبی را در سال 2025 تکمیل کند و محققان قصد دارند HL-LHC را در سال 2029 روشن کنند.
جورجیو آپولیناری، دانشمند Fermilab و رهبر پروژه HL-LHC AUP، گفت: «آهن‌ربای‌های پروژه ارتقاء شتاب‌دهنده فناوری‌های پیشرفته هستند و با کابل‌های استثنایی تولید شده در آزمایشگاه برکلی شروع می‌شوند. ما هنوز کار بیشتری برای انجام داریم، اما این نقطه عطف مهمی در راه ما به سمت HL-LHC و اکتشافاتی است که می تواند به ارمغان بیاورد.
این کار توسط برنامه فیزیک انرژی بالای DOE Office of Science پشتیبانی شد.
###
در سال 1931 با این اعتقاد که بزرگترین چالش های علمی به بهترین وجه توسط تیم ها حل می شود، تاسیس شد. آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و دانشمندان آن با 16 جایزه نوبل شناخته شده اند. امروزه، محققان آزمایشگاه برکلی انرژی پایدار و راه‌حل‌های زیست‌محیطی را توسعه می‌دهند، مواد جدید مفیدی ایجاد می‌کنند، مرزهای محاسبات را پشت سر می‌گذارند، و اسرار حیات، ماده و جهان را کشف می‌کنند. دانشمندان از سراسر جهان برای اکتشافات علمی خود به امکانات آزمایشگاه متکی هستند. آزمایشگاه برکلی یک آزمایشگاه ملی چند برنامه ای است که توسط دانشگاه کالیفرنیا برای دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده اداره می شود.
دفتر علوم DOE بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به Energy.gov/science.
