CERN、LHCの大規模アップグレードに向けて新型超電導磁石を設置

masapoco
投稿日
2023年12月29日 7:11
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世界最大かつ最も強力な粒子衝突型加速器である大型ハドロン衝突型加速器(LHC)は、その性能を高め、物理学における新たな発見を可能にする大規模なアップグレードの準備を進めている。Hi-Luminosity LHC(HL-LHC)として知られるこのアップグレードでは、ATLAS実験とCMS実験の衝突点で陽子ビームをより強く集束させるために、新しいタイプの磁石が必要となる。

米国の加速器アップグレードプロジェクトによる新型マグネット
これらの新しい磁石は「final-focusing quadrupoles」と呼ばれ、LHCの実験装置周辺の相互作用領域に設置される。

その特殊な形状により、陽子ビームを非常に小さく絞ることができ、衝突の可能性を高め、物理学者が分析するためのデータをより多く生成することができる。現在のLHCの電磁石は、衝突点に約16マイクロメートル(1マイクロメートルは1000分の1ミリメートル)のビームスポットを作ることができる。これに対し、新型マグネットではそのビームスポットが約10マイクロメートルに縮小される。

米国のAccelerator Upgrade Project(AUP)によって開発されたこの新しい磁石の最初のバッチが、12月初旬にCERNに到着した。出荷されたのは、ニオブ錫(Nb3Sn)と呼ばれる超伝導材料で作られた、それぞれ長さ4.2メートルの2つの磁石のクライオアセンブリである。この材料は、現在のLHCマグネットに使われているニオブチタン(Nb-Ti)よりも高い磁場を発生させることができるが、もろく取り扱いが難しい。

このような課題にもかかわらず、米国のAUPによって開発された新しい四極電磁石は、1.9ケルビン(-271.25℃)と4.5ケルビン(-268.65℃)の両方で目標電流で動作し、プロジェクトの要求を満たしていることが、フェルミ研究所での最近の試験で確認された。

合計30個の超電導磁石

米国のAUPは、HL-LHC用に合計20個の磁石(16個と予備4個)を製造しており、CERNの技術部門は、同じ設計と技術に基づいて、それぞれ長さ7.2メートルの別の10個の磁石(8個と予備2個)を開発している。長い方の磁石はLHCトンネルに設置される。一方、短い方の磁石は、CERNのインナートリプレット(IT)ストリングと呼ばれる試験施設で使用される。

初の米国製磁石の到着を祝うセレモニーが12月18日月曜日、CERNで開催され、大西洋の両岸から代表者が出席した。「これは、Nb3Sn磁石の製造と試験という難題を見事に克服した米国AUPの目覚ましい成果です」とCERNのMike Lamont加速器・技術部長は語る。「HL-LHCは、多くのパートナーの協力と専門知識に依存する世界的な取り組みです。我々は、CERNにおける素粒子物理学の未来に貴重な貢献をしてくれた米国AUPに感謝しています」。

HL-LHC AUPのプロジェクト・ディレクターであるGiorgio Apollinari氏は、「我々はこの5年間、米国でこれらの磁石を製造しており、現在その製造の75%を完了しています。米国での広範なテストの後、最初の2つの磁石を最終的なクライオアセンブリで送り、2024年初頭までにCERNに到着する予定の次のクライオアセンブリをすでに組み立てています」と述べた。

HL-LHCプロジェクト・リーダーのOliver Brüningはこう付け加えた:「これは、CERNと米国の協力の新たな段階の始まりであり、LHC用のクライオアセンブリーをすぐに設置できるようにすることです。最初のものは2025年にITストリングに組み込まれ、大規模なテストが行われる予定です。ITストリングは、2029年に運転を開始するHL-LHCの重要なテストベッドとなります」。

HL-LHCは、LHCの光度、すなわち衝突回数を5倍から10倍に増やし、物理学者たちが素粒子物理学の標準模型を超える新しい現象を探求できるようにする。HL-LHCはまた、2030年代後半まで稼働すると予想されているLHCの寿命を延ばすことになる。


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