Das CERN hat mit dem Beginn der kryogenen Abkühlung seiner Testanlage in Originalgrösse auf 1,9 Kelvin (-271,3 °C) einen entscheidenden Schritt auf dem Weg zum Large Hadron Collider mit hoher Leuchtkraft (HiLumi LHC) getan. Der 95 Meter lange Teststand ist eine Nachbildung der fortschrittlichen Ausrüstung, die den LHC in den kommenden Jahren schrittweise umgestalten wird, und dient der Validierung der neuen Generation von Strahlfokussierungsmagneten und ihrer hochkomplexen Infrastruktur. Diese Systeme bilden einen Eckpfeiler des LHC-Upgrades, der im Jahr 2030 in Betrieb gehen soll.
Long Shutdown 3 markiert den Übergang zum HiLumi LHC
In diesem Sommer beginnt Long Shutdown 3 (LS3), eine vierjährige intensive Arbeitsphase, in der der LHC in den HiLumi LHC umgewandelt wird. Der aufgerüstete Beschleuniger wird die Kollisionsraten bzw. die Luminosität um das Zehnfache erhöhen und damit die Menge der den Physikern zur Verfügung stehenden Daten dramatisch vergrössern. Dieser Leistungszuwachs wird eine noch nie dagewesene Präzision bei der Untersuchung des Higgs-Bosons und anderer fundamentaler Teilchen ermöglichen und gleichzeitig die Tür zur Beobachtung seltener und potenziell revolutionärer Phänomene öffnen.
Erforschung des Unbekannten mit noch nie dagewesener Präzision
die Bedeutung des LHC mit hoher Leuchtkraft kann gar nicht hoch genug eingeschätzt werden", sagt CERN-Generaldirektor Mark Thomson, "es ist das grösste Projekt, das das CERN in den letzten 20 Jahren durchgeführt hat. Zusammen mit verbesserten Detektoren und fortschrittlichen Datenanalysewerkzeugen wird es uns zum ersten Mal ermöglichen zu untersuchen, wie das Higgs-Boson mit sich selbst wechselwirkt, eine Messung, die Licht auf die frühesten Momente des Universums und seine mögliche Zukunft werfen könnte. Der HiLumi-LHC wird auch völlig unbekanntes Terrain erforschen, auf dem sich durchaus Unerwartetes ereignen kann.
Neue Technologien als Herzstück des Upgrades
Der HiLumi LHC stützt sich auf eine Reihe von Spitzentechnologien, die noch nie zuvor in einem Protonenbeschleuniger eingesetzt wurden. Dazu gehören supraleitende Krabbenhohlräume, die die Teilchenstrahlen kippen, um die Kollisionsraten zu maximieren, Kristallkollimatoren, die Streuteilchen mit hoher Präzision entfernen, und supraleitende Hochtemperatur-Stromleitungen für einen effizienten Magnetbetrieb.
Das Herzstück der Aufrüstung sind die neuen inneren Triplett-Magnete, die aus einer supraleitenden Niob-Zinn-Verbindung (Nb3Sn) bestehen und stärkere Magnetfelder erzeugen können als die Niob-Titan-Magnete, die im derzeitigen LHC verwendet werden. Diese Magnete, die auf beiden Seiten der ATLAS- und CMS-Experimente installiert werden, arbeiten bei 1,9 Kelvin, der gleichen ultraniedrigen Temperatur wie das bestehende LHC-Magnetsystem.
Validierung der Integration vor der Installation unter Tage
Um sicherzustellen, dass alle Komponenten nahtlos zusammenarbeiten, hat das CERN eine überirdische, massstabsgetreue Nachbildung der unterirdischen Anlage gebaut, die als Inner Triplet String bekannt ist. Diese Anlage ermöglicht es Ingenieuren und Physikern, die Integration und die gemeinsame Leistung der neuen Systeme unter realistischen Betriebsbedingungen zu testen.
während jedes System bereits einzeln getestet wurde, ermöglicht uns der Inner Triplet String, ihren kombinierten Betrieb zu validieren", erklärt Oliver Bruning, CERN-Direktor für Beschleuniger und Technologie, "er gibt uns die Möglichkeit, Verfahren zu optimieren und Betriebserfahrungen zu sammeln, bevor wir sie im Tunnel installieren, um einen reibungslosen und effizienten Einsatz zu gewährleisten".
Globale Zusammenarbeit für die nächste Ära der Teilchenphysik
Parallel dazu werden die Experimente ATLAS und CMS umfassend aufgerüstet, um das wissenschaftliche Potenzial des HiLumi-LHC voll auszuschöpfen. Diese Arbeiten werden in enger Zusammenarbeit mit Hunderten von Instituten weltweit durchgeführt. Die Verbesserungen am gesamten Beschleunigerkomplex werden die führende Rolle des CERN in der Hochenergiephysik weiter stärken.
Unter der Leitung des CERN arbeiten am HiLumi-LHC-Projekt fast 50 Institute aus mehr als 20 Ländern, vor allem in Europa, mit. Neben der Finanzierung durch CERN-Mitglieder und assoziierte Mitglieder hat das Projekt Sonderbeiträge von mehreren europäischen Ländern sowie von internationalen Partnern wie den Vereinigten Staaten, Japan, Kanada und China erhalten.
Eine kritische Phase ist im Gange
Die Abkühlung des HiLumi-LHC-Teststrangs, die mithilfe eines ausgeklügelten Kühl- und Verteilungssystems für flüssiges Helium erfolgt, wird voraussichtlich mehrere Wochen in Anspruch nehmen. Diese Phase ist ein entscheidender Meilenstein bei der Vorbereitung des nächsten Sprungs nach vorn in der Hochenergiephysik.
