Concluye el cableado para la actualización del LHC

May 30, 2023

Para comprender mejor cómo funciona nuestro universo, los investigadores están actualizando el acelerador de partículas más potente del mundo: el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Hoy, un equipo del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía completó un paso crucial en la actualización, convirtiendo más de 2220 km (1367 millas) de alambre en cables para la próxima generación de imanes de enfoque en el LHC.

Los imanes serán los más potentes de su tipo y aumentarán enormemente el número de colisiones en los dos detectores de uso general del LHC, ATLAS y CMS. Más colisiones producen más datos, lo que significa que los científicos pueden buscar mejor fenómenos raros y no descubiertos e investigar algunos de los mayores misterios de la física, como el origen de la masa y la naturaleza de la materia y la energía oscuras.

"Los imanes superconductores permiten la ciencia producida en el LHC, y contamos con un excelente equipo de múltiples laboratorios que amplía las fronteras de la tecnología de imanes", dijo Soren Prestemon, director del Centro de Tecnología de Imanes de Berkeley. "Por primera vez utilizaremos las extraordinarias propiedades del superconductor de niobio y estaño en un colisionador en funcionamiento".

El primer paso para fabricar esos imanes es convertir cables superconductores en cables que luego puedan enrollarse en bobinas magnéticas. Pero fabricar esos cables no es tarea fácil. Cada uno de los 111 cables es una pieza única y continua hecha enrollando 40 hilos individuales de alambre alrededor de un núcleo de acero inoxidable. Si incluso un cable se cruzara con otro en cualquier punto de toda su longitud (normalmente 470 metros), el cable se arruinaría. El esfuerzo requirió la colaboración de expertos de la División de Ingeniería y Tecnología de Aceleradores y Física Aplicada (ATAP) de Berkeley Lab.

“Somos como el director de una compañía de ballet”, dijo Ian Pong, científico del ATAP que dirige la tarea de cableado. “Tenemos 40 bailarines (los carretes de alambre) haciendo piruetas en círculo durante unas tres horas, y nuestra responsabilidad es asegurarnos de que no se pierda ni un solo paso durante toda la actuación”.

Fabricar los cables es una parte del Proyecto de Actualización del Acelerador (AUP), la contribución de Estados Unidos al proyecto LHC de Alta Luminosidad (HL-LHC). Cuatro instituciones colaboran para diseñar, producir y probar los imanes para AUP: Berkeley Lab, Brookhaven National Laboratory, el National High Magnetic Field Laboratory de la Florida State University y Fermi National Accelerator Laboratory, que lidera el proyecto.

"Si bien cada paso del proceso de construcción del imán es de igual importancia, ninguno de los otros pasos puede ocurrir sin tener primero cables superconductores de alta calidad", dijo Mike Naus, ingeniero científico asociado en ATAP y líder adjunto de la tarea.

Desde 2016, Berkeley Lab ha estado enrollando cables AUP y enviándolos en un viaje de meses para convertirse en imanes. Los cables se enrollan y se tratan térmicamente en Brookhaven Lab y Fermilab antes de regresar al Berkeley Lab, donde cuatro bobinas se ensamblan en imanes llamados cuadrupolos. En Fermilab, los cuadrupolos se unen en “crioconjuntos” que se prueban y se envían al CERN, donde se instalarán durante un largo cierre del LHC a finales de esta década.

"Se trata de equipos de muy alta tecnología en los que participan personas de todo Estados Unidos", afirmó Jean-Francois Croteau, investigador postdoctoral en ATAP que trabajó en el control de calidad de los cables. "Es impresionante tener todos estos laboratorios involucrados para crear algo que ninguno de ellos podría hacer por sí solo".

Fabricar los nuevos imanes con niobio-estaño permite campos magnéticos más grandes que en cualquier imán anterior hecho de niobio-titanio. Los imanes funcionarán a aproximadamente 12 teslas, varios cientos de miles de veces más fuertes que el campo magnético de la Tierra. Trabajarán en conjunto con una versión más larga de los imanes cuadrupolares que actualmente está produciendo el CERN (donde el bobinado del cable superconductor está completo en un 70%).

Juntos, los imanes de enfoque exprimirán los haces de partículas del LHC en densos grupos, aumentando la posibilidad de que las partículas interactúen. Una vez actualizado, el LHC de alta luminosidad podrá producir entre 5 y 7,5 mil millones de colisiones de protones por segundo (en comparación con los mil millones actuales), y los científicos esperan producir al menos 15 millones de bosones de Higgs por año.

No muy lejos de la máquina de cableado hay montones de cajas de pizza con códigos de barras. Cada uno contiene una muestra de un cable: un registro de lo que se ha producido y uno de los muchos elementos del control de calidad. El equipo del Laboratorio de Berkeley utilizó una combinación de cámaras, microscopios y pruebas eléctricas y mecánicas para garantizar que los cables cumplieran con sus exigentes especificaciones. Por ejemplo, el espesor en toda la longitud del cable no podría variar más de 10 micrones en cualquier dirección, aproximadamente una décima parte del ancho de un cabello humano.

Cada cable comenzó su vida como un haz de cables caóticos que los técnicos ordenaron. Después de inspeccionar una muestra de calificación, el equipo comenzaría el cableado continuo de 3 horas.

“Queríamos toda la emoción durante las verificaciones previas y fuera de los tendidos de cables”, dijo Andy Lin, un asociado de ingeniería científica en ATAP que dirige la operación técnica de cableado para el proyecto y ha operado la máquina desde 2015. “Durante la producción, Podríamos hacer microajustes, como mover el cabezal de la máquina una milésima de pulgada, pero cualquier acción que realicemos durante la ejecución es un riesgo, por lo que intentamos no hacerlo a menos que fuera necesario”.

A seis metros de la línea, las cámaras tomaron imágenes de los cuatro lados del cable aplanado en toda su longitud, asegurándose de que ningún cable se cruzara. Verificar cada cable requiere casi 50.000 imágenes, o aproximadamente 5 millones en AUP.

A lo largo de la vida del proyecto, los investigadores aprendieron cada vez más sobre la máquina cableadora y cómo pequeños cambios podrían marcar diferencias sutiles en el cable final. Algo tan simple como dónde se aplicó lubricación a los cables o si un ventilador de oficina estaba apuntando a la máquina podría influir en el producto final. También realizaron mejoras, como acelerar el código que analiza las imágenes para que funcione casi en tiempo real.

"Estamos avanzando en lo que es posible en la construcción de estos nuevos cables", dijo Cameron Geddes, director de ATAP. "Si bien estos imanes impulsan una nueva generación de física fundamental, las técnicas que hemos desarrollado durante este proyecto son un paso hacia futuros aceleradores aún más potentes".

Para formar los cables, a la torsión del alambre se le da forma de cable plano “estilo Rutherford”, deformando el alambre en los bordes. Para garantizar la disposición y la integridad de los cables, los investigadores cortaron cuidadosamente una sección del extremo de cada cable para inspección y pruebas, incluidas mediciones a temperaturas extremadamente frías (criogénicas). Luego, cada muestra se archivó en su caja de pizza y el carrete completo de cable se empaquetó de forma segura y se transportó a la siguiente etapa.

Si bien el paso del cableado para AUP ya está finalizado, los equipos de las instituciones colaboradoras continúan ensamblando los imanes de enfoque. Berkeley Lab espera terminar de fabricar los cuadrupolos en 2025, y los investigadores planean encender el HL-LHC en 2029.

"Los imanes para el Proyecto de Actualización del Acelerador son tecnología de vanguardia y comienzan con los cables excepcionales producidos en el Laboratorio de Berkeley", dijo Giorgio Apollinari, científico del Fermilab y director del proyecto HL-LHC AUP. "Todavía tenemos más trabajo por hacer, pero este es un hito importante en nuestro camino hacia el HL-LHC y los descubrimientos que puede traer".

Este trabajo cuenta con el apoyo del programa de Física de Altas Energías de la Oficina de Ciencias del DOE.

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Fundado en 1931 con la creencia de que los mayores desafíos científicos se abordan mejor mediante equipos, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y sus científicos han sido reconocidos con 16 premios Nobel. Hoy en día, los investigadores del Berkeley Lab desarrollan soluciones medioambientales y energéticas sostenibles, crean nuevos materiales útiles, avanzan las fronteras de la informática y exploran los misterios de la vida, la materia y el universo. Científicos de todo el mundo confían en las instalaciones del laboratorio para sus propios descubrimientos científicos. Berkeley Lab es un laboratorio nacional multiprograma, administrado por la Universidad de California para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de Estados Unidos.

La Oficina de Ciencias del DOE es el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite energy.gov/science.