CERN testuje spolehlivost paprsků pro HiLumi LHC: K novým objevům se přiblížíme v roce 2030

Vstřikovače Velkého hadronového urychlovače (LHC) v CERNu procházejí intenzivními testy spolehlivosti paprsků pro budoucí High-Luminosity LHC (HiLumi LHC). Tyto zkoušky jsou klíčové pro zajištění, že HiLumi LHC bude moci od zahájení fyzikálních experimentů v roce 2030 pracovat na špičkovém výkonu.

Po rozsáhlých modernizacích během druhé dlouhé odstávky (LS2, 2019–2020) vstoupil komplex vstřikovačů LHC do nové fáze provozu. Projekt LHC Injectors Upgrade (LIU) posílil a vylepšil urychlovačový řetězec, aby splnil náročné požadavky na paprsky pro HiLumi LHC, které má být spuštěno po třetí dlouhé odstávce (LS3, 2026–2030). Cílem LIU bylo výrazně zvýšit jas paprsku a téměř zdvojnásobit intenzitu paprsku dodávaného do LHC. Každý ze dvou paprsků LHC se skládá z více než 2000 těsně sbalených protonových shluků, oddělených pouhými 25 nanosekundami, strukturovaných 40MHz radiofrekvenčním systémem LHC. Po LS3 budou hustší shluky produkovat podstatně vyšší počet srážek částic v LHC, což otevře dveře k přesnějším měřením Higgsova bosonu a vzácných procesů a potenciálně odhalí známky nové fyziky.

V období mezi LS2 a LS3 se úsilí v komplexu vstřikovačů soustředilo na prokázání, že modernizované stroje mohou dosáhnout náročných parametrů paprsku LIU. S dosažením tohoto milníku se pozornost přesunula k zajištění spolehlivé, stabilní a udržitelné dodávky vysoce kvalitních paprsků. To je zásadní krok k tomu, aby HiLumi LHC mohlo od samého začátku fyzikálních experimentů, plánovaných na rok 2030, fungovat na plný výkon.

Za tímto účelem byly do harmonogramu vstřikovačů zavedeny speciální testy spolehlivosti paprsků pro HiLumi LHC. Během vybraných týdnů v roce 2026 jsou vyhrazeny krátké doby pro paprsky – obvykle kolem 30 minut po každém naplnění LHC – k simulaci schémat plnění typu HiLumi LHC s novými parametry paprsku. Tyto testy jsou navrženy tak, aby prověřily nejen výkon, ale také robustnost a reprodukovatelnost provozu a technických systémů.

Testy spolehlivosti paprsků HiLumi LHC již úspěšně proběhly souběžně v loňském roce ve strojích komplexu Protonového synchrotronu (Linac4, PSB a PS) a první takový test spolehlivosti v Super Protonovém synchrotronu (SPS) byl úspěšně proveden minulý týden. SPS, který fungoval převážně během dne v pracovních dnech a byl pečlivě naplánován kolem provozu LHC a období vývoje strojů, provedl osm pokusů o injekci, z nichž šest dosáhlo maximální energie. Během těchto testů bylo obvykle akumulováno 15 až 20 injekcí, přičemž všechny splňovaly kritéria kvality paprsku požadovaná pro přenos do LHC.

Jak se u takto vysoce intenzivních paprsků očekávalo, stabilita zpočátku představovala určité výzvy. Na začátku každého testu byly nutné speciální úpravy paprsku pro udržení stabilních podmínek. Průběžná optimalizace cyklu SPS – včetně zlepšeného energetického sladění, korekcí dráhy, jemného ladění lokálních nerovností a uvedení do provozu čističe paprsku – vedla k výraznému zlepšení výkonu v průběhu týdne. Vakuové podmínky zůstaly po celou dobu testu pohodlně v rámci provozních limitů. Ke konci testu se tak dosažení maximální energie stalo výrazně rutinnější. Po závěru minulého týdne SPS rutinně dodával paprsky s plnými nominálními parametry HiLumi LHC: intenzity shluků 2,3×10¹¹ protonů, příčné emitance 2,1 mikrometru a délky shluků 1,65 nanosekundy.

Po krátké přestávce tento týden, aby byla dána priorita operacím HiRadMat, bude program spolehlivosti pokračovat třídenním obdobím intenzivnějšího provozu. Tato další fáze rozšíří provoz na noci a víkendy, čímž se dále prověří odolnost komplexu vstřikovačů za realistických podmínek. Cíl je jasný: navázat na dosud dosažený silný výkon a dosáhnout úrovně spolehlivosti požadované pro éru HiLumi LHC.