Магнитные детективы

Показания амперметра постепенно росли. Пока этого не было. На самом деле, он внезапно упал. «Ой-ой», вспоминает, как подумал Джорджио Амбросио. "Хьюстон у нас проблема."

Амбросио — учёный из Национальной ускорительной лаборатории Ферми Министерства энергетики США, который наблюдает за сборкой американских магнитов для модернизации Большого адронного коллайдера с высокой светимостью. Удвоив количество протонов внутри БАКа и улучшив динамику пучка, модернизация увеличит наборы экспериментальных данных в 10 раз. Это позволит физикам изучать редкие физические явления и узнавать больше о происхождении массы и материи во Вселенной.

Для модернизации HL-LHC потребуется 150 новых ускорительных магнитов. В США в рамках проекта модернизации ускорителя LHC создаются новые фокусирующие магниты, которые будут сжимать луч непосредственно перед столкновением и будут вдвое мощнее своих предшественников.

Но новый фокусирующий магнит, который испытывали Амбросио и его американские коллеги, вышел из строя; магнит умер.

Электромагниты длиной 5 метров должны выдерживать ток силой 16 530 ампер — примерно столько же, сколько разряд молнии. Поскольку при охлаждении до очень низких температур они становятся сверхпроводниками, магниты могут проводить такой огромный ток, не выделяя тепла. Такие ученые, как Амбросио, вводят и постепенно увеличивают ток, чтобы проверить и «обучить» магниты перед использованием.

Амбросио и его коллеги, в том числе сотрудница ЦЕРН Элис Морос, знают, что «вещи не работают» — это часть научного процесса, особенно при работе со сложной, единственной в своем роде, коммерчески недоступной технологией. «Магнит, как и все остальное в мире, не может быть идеальным», — говорит Морос.

Итак, команда США отложила магнит в сторону и приступила к испытаниям другого. И снова ток увеличился, и снова внезапно упал. Его попытались оживить, но ток отказался подниматься: Второй магнит сдох.

«Хуже всего то, что это произошло дважды — на двух магнитах — подряд», — говорит Амбросио. «Это было похоже на пребывание на «Титанике» после того, как он столкнулся с айсбергом».

Было ли это всего лишь два неудачных совпадения? Или же слабость конструкции магнитов могла погубить весь проект модернизации БАК? Найти виновника было жизненно важно: от этого зависело будущее исследовательской программы БАКа.

Производство фокусирующих магнитов HL-LHC включает сотни этапов в течение шестимесячного периода. Проблема могла возникнуть на любом этапе процесса.

Амбросио и его коллеги обратили внимание на первый вышедший из строя магнит. Какие тайны может раскрыть его безвременная кончина? «Мы сразу же начали расследование», — говорит Амбросио.

Подозреваемый нет. 1: обмотка кабеля.

Каждая магнитная катушка состоит из одного кабеля, который 50 раз обернут вокруг титанового полюса длиной 4,2 метра. Кабель хрупкий, поскольку состоит из 40 скрученных проводов, заполненных хрупкими нитями из ниобия и олова. Если один из этих проводов выпадет со своего места, это может создать точку защемления, которая поставит под угрозу всю катушку.

В сломанной катушке «нам пришлось два раза чинить провод во время намотки», — говорит Амбросио. «Итак, у нас возник вопрос: проволока снова сдвинулась?»

Подозреваемый нет. 2: неожиданная задержка.

После намотки технические специалисты превращают необработанную катушку в функциональный и прочный сверхпроводящий магнит путем термической обработки, нанесения связующих веществ и пайки компонентов. Намотка и лечение обычно занимают пару недель, но их жертвой оказался тот, над которым они работали, когда впервые разразился COVID.

«Мы начали производство катушек, но затем были вынуждены остановиться на 12 недель», — говорит Амбросио. «Это довольно необычно... Но оказало ли это влияние?»

Подозреваемый нет. 3: нарушенная симметрия.

Фокусирующие магниты представляли собой квадруполи, то есть каждый из них состоял из четырех отдельных катушек, соединенных вместе, образуя длинный и полый цилиндр. Когда магнит включается на полный ток, электромагнитные силы тянут концы четырех катушек с силой в 100 тонн.