Skąd Wielki Zderzacz Hadronów może brać protony? Z butli

Przez 40 lat kompleks akceleratorów w CERN zasilał protonami liniowy akcelerator Linac 2. Z czasem jednak, zapewniana przez to urządzenie energia i intensywność wiązki przestały wystarczać. Dla potrzeb modernizowanego LHC, szczególnie w następnym etapie jego pracy, konieczna była budowa nowego przyspieszacza. Linac 4 został oficjalnie uruchomiony w maju 2017 roku i przechodzi ostatnie testy przed włączeniem go w system akceleratorów prowadzących wiązkę do LHC. Od przyszłego roku będzie podawał wiązkę do akceleratora PSB (Proton Synchrotron Booster). Przy przejściu z Linac 4 do PSB ujemne jony wodoru będą pozbawiane dwóch elektronów, pozostaną same protony. Pod koniec października tego roku Linac 4 osiągnął już nominalną energię wiązki na poziomie 160 MeV (megaelektronowoltów). PSB ma zacząć pracę z nową wiązką we wrześniu 2020 roku.

W październiku 2019 przedstawiciele polskich mediów zwiedzali CERN, korzystając z długiej przerwy modernizacyjnej LHC. Po naziemnej hali akceleratora Linac 4 oprowadzali nas Maurizio Vretenar, szef projektu budowy Linac 4 i Andrzej Siemko z CERN. 

Ten projekt rozpoczął się w 2008 roku, wtedy jeszcze niczego tu nie było, rosła trawa - mówi polskim dziennikarzom Maurizio Vretenar. Kiedy zaczęliśmy budowę okazało się, że musimy się zmieścić po jednej stronie granicy. Tu widać słupek graniczny, a nam nie wolno budować niczego przez granicę. Chyba, że to jest pod ziemią, wtedy można. Dodatkowo jeszcze trzeba utrzymać odległość 2 metrów od granicy według szwajcarskiego prawa i 8 metrów według prawa francuskiego. Dlatego budynek ma taki kształt, by się utrzymać w zgodzie z przepisami po szwajcarskiej stronie. Pierwszym problemem było zmieszczenie akceleratora w granicach państwa.

Tu jesteśmy w wnętrzu naziemnej hali akceleratora. Tu jest cała aparatura, której zadaniem jest przekazanie jonom wodoru energii. Poruszają się one w tunelu, który znajduje się dokładnie 12 metrów pod naszymi stopami, po tej stronie. To liniowy przyspieszacz, wiązka biegnie po prostej, w tym kierunku. Urządzenia pracują, tworzą wiązkę eksperymentalną do testów, która potem może pójść do kolejnych akceleratorów z całego łańcucha przyspieszającego Wielkiego Zderzacza Hadronów. To co słyszymy to takie bicie serca akceleratora, co sekundę źródło jonowe tworzy paczkę cząstek, która potem biegnie przez akcelerator i osiąga energię 160 megaelektronowoltów. Trafia potem do urządzeń pomiarowych, umieszczonych bezpośrednio przed wejściem do następnego akceleratora. na bieżąco mierzymy parametry tej wiązki. To co słyszymy to rozładowanie się kondensatorów, które dają cząstkom energię. Kiedy przychodzę do tego budynku i słyszę ten hałas, jestem zadowolony, jak doktor który wsłuchuje się w bicie serca, jeśli bije, wszystko jest w porządku. jeśli jest cisza, albo są jakieś nieregularności, jest problem.

Gdzie jest butla z wodorem?

Po przeciwnej stronie budynku, przejdziemy teraz wzdłuż całości zatrzymując się przy kolejnych urządzeniach. I znajdziemy się po stronie źródła jonów, gdzie cząstki powstają. To co musimy z nimi potem zrobić, to dostarczyć im energii. Skąd ona się bierze? To energia elektryczna, z sieci energetycznej. Mamy na zewnątrz wielki transformator, który kieruje ją tu, a tu ulega ona szeregowi przekształceń. Dociera tu prąd pod napięciem 380V, przekształcamy go tutaj w tych urządzeniach do napięcia 210kV, prąd stały 110 kV dociera do tych urządzeń, które przekształcają w prąd zmienny wysokiej częstotliwości, 250MHz. To tak zwane klistrony, podobne urządzenia, jak te stosowane w nadajnikach telewizyjnych. Zamiast jednak przesyłać energię do anteny, my koncentrujemy tę energię w tych prostokątnych tubach, falowodach, które idą w dół do akceleratora. Sam akcelerator jest złożony z modułów, wykonanych z miedzi, albo wyłożonych miedzią, gdzie cała ta energia generuje pola elektryczne, które napędzają cząstki. Tu widać niektóre elementy tych przyspieszających modułów. Tu są prototypy, które tworzyliśmy na etapie przygotowań do rzeczywistej budowy prawdziwych elementów. W tunelu teraz mamy około 60 metrów elementów jak ten, albo ten. Przez te elementy przelatuje wiązka cząstek, dostając kolejne "kopniecia" energii. Są trzy rodzaje przyspieszających sekcji LINAC 4, pierwszą zbudowaliśmy w CERN we współpracy z Hiszpanami, drugą z rosyjskim instytutem, trzecią z Polską. Akurat polskiej prototypowej wnęki rezonansowej tu nie mamy, bo była tak wysokiej jakości, że została od razu przeznaczona do ostatecznego montażu. Zbudowano je w NCBJ (Narodowym Centrum Badań Jądrowych) w Świerku pod Warszawą. To 12 elementów, których zadaniem jest przeprowadzenie końcowego etapu przyspieszania, od 100MeV do 160MeV. To było wielkie przedsięwzięcie między rokiem 2010 i 2016, wysokiej jakości miedź kupiliśmy w Szwajcarii, przewieźliśmy ją ciężarówkami do Polski. Tam wykonano precyzyjną obróbkę tych części, praca w miedzi jest bardzo trudna, ten metal łatwo się podczas obróbki deformuje. Niektóre części zostały jeszcze przewiezione z Polski do Niemiec, tam wykonano niektóre prace spawalnicze, po powrocie do Polski dokonano końcowego montażu tych elementów i wszystko przewieziono do nas do CERN. Tu przeprowadziliśmy ostateczne testy i instalację. To było prawdziwie międzynarodowe przedsięwzięcie, które - muszę przyznać - przebiegło doskonale, nie mieliśmy nawet jednej wpadki, jednego problemu. Wszystkie elementy konstrukcyjne dotarły do nas w 2015 roku. To była świetna współpraca CERN, Polski i Niemiec, przy czym 80 proc. pracy zostało wykonane w Polsce. Świetnie się  ze sobą komunikowaliśmy. To było dla NCBJ nowe doświadczenie, nie mieli wcześniej okazji zetknąć się z tego typu wyzwaniami, muszę przyznać, że nieco się obawiałem. Kiedy wróciłem z Polski i rozmawiałem z szefem modernizacji LHC Lynem Evansem powiedziałem mu, że są w Polsce świetni specjaliści, ale nie jestem pewien, czy mają odpowiedni sprzęt i doświadczenie. Nie patrz na sprzęt, patrz na ludzi - odpowiedział. Tylko ludzie się liczą, jeśli są dobrzy, kupią obrabiarki, nabędą doświadczenia i wykonają zadanie. Jeśli ludzie są słabi, nawet najlepsze maszyny nie pomogą. Miał rację. Podpisaliśmy kontrakt i NCBJ przygotowało swój wkład w ten akcelerator.

Teraz pytanie, po co my to wszystko robimy? Linac4 to element modernizacji Wielkiego Zderzacza Hadronów, dzięki której mamy zwiększyć intensywność wiązki. Wiadomo, że to najpotężniejszy akcelerator na świecie, który daje największą energię cząstek. Chcemy jednak, by dał nam także potężniejszą wiązkę, więcej protonów, by zwiększyć intensywność o więcej nawet niż czynnik 10. I tu największy problem jest na etapie jeszcze małych energii, wyzwaniem jest wytworzenie takiej wiązki na samym początku. Dlatego musieliśmy zastąpić dotychczasowy liniowy akcelerator Linac2 nowym. tamten dawał nam energię 50Mev, nowy Linac4 da nam 160MeV. To pomoże zwiększyć intensywność w samym LHC, warto tej zmiany dokonać.

O ile zwiększy się dzięki temu świetlność całego LHC?

To praca zespołowa. Dzięki Linac 4 będziemy w stanie zakumulować dziesięć razy więcej protonów w kolejnym akceleratorze i potem w kolejnym, wreszcie wprowadzić te protony do LHC, gdzie prace modernizacyjne koncentrują się teraz na lepszej koncentracji wiązki w eksperymentach. W sumie świetlność wzrośnie ponad 10-krotnie. Zjawiska, które badamy zdarzają się z pewną tylko częstością, jeśli będziemy mieli tyle razy intensywniejszą wiązkę, będą występowały ponad 10-krotnie częściej. To tak jakbyśmy ponad 10 razy wydłużyli czas pracy całego Zderzacza. Problemem jest odpychanie się cząstek, które mają ten sam ładunek elektryczny, przez to wiązka się rozogniskowuje. Na szczęście to odpychanie maleje wraz z energią wiązki, im bardziej staje się relatywistyczna, tym mniej to odpychanie widać. Właśnie dlatego problem jest największy, tu w naszym akceleratorze, przy małej energii. po to, by dać w następnym stopniu lepszą wiązkę, musimy tę energie zwiększyć. Trzeba zwiększyć przekazywanie energii w łańcuchu akceleratorów.

Czyli konstrukcja tego akceleratora jest już zakończona i prowadzone są już tylko testy. Na jakim etapie tych testów państwo jesteście? W połowie? W 90 proc.?

Nasz akcelerator jest gotowy w 90-95 proc. Ale w każdym biegu to ostatnie metry są najtrudniejsze. Konstrukcja została zakończona, ale kluczowe znaczenie ma dostarczenie odpowiedniej wiązki, przeprowadzenie jej przez te wszystkie połączenia kolejnych stopni, to bardzo skomplikowane i czasochłonne. To jest pewnym wyzwaniem.

Ale będziecie gotowi?

Będziemy gotowi. Z całą pewnością. Mamy znakomitych pracowników, a z takimi ludźmi da się to zrobić. 

O swojej pracy przy testach akceleratora Linac 4 opowiedziała RMF FM Magdalena Kaja, studentka Politechniki Warszawskiej, która w CERN pracuje na stażu technicznym. Jest członkiem grupy zajmującej się optymalizacją wiązki między źródłem jonów a tzw. RFQ Cavity, czyli kwadrupolem o częstotliwości radiowej. 

O tym, co z wiązką opuszczającą Linac 4 dzieje się dalej, opowiedział polskim dziennikarzom dr Andrzej Siemko z CERN. Zanim protony z pozbawionych elektronów jonów wodorkowych trafią do Wielkiego Zderzacza Hadronów muszą przejść jeszcze przez trzy akceleratory kołowe PSB (Proton Synchrotron Booster), PS (Proton Synchrotron) i SPS (Super Proton Synchrotron).

W październiku 2019 przedstawiciele polskich mediów zwiedzali CERN, korzystając z długiej przerwy modernizacyjnej LHC. CERN poprzez swoich przedstawicieli w EPPCN (European Particle Physics Communication Network) zaprasza dziennikarzy z krajów członkowskich i stowarzyszonych do odwiedzenia swej siedziby, w szczególności zapoznania się z udziałem naukowców z danego kraju w prowadzonych tu badaniach. Podczas dwudniowej wizyty polscy dziennikarze reprezentujący prasę, radio i media online zwiedzili dwa spośród wielkich eksperymentów na Wielkim Zderzaczu Hadronów, tunel samego akceleratora, a także inne laboratoria i projekty ze znaczącym udziałem polskich grup badawczych. Wszędzie byli oprowadzani przez polskich ekspertów.