LHC przygotowuje się do wieloletniej przerwy technicznej

Planowana przerwa pod Genewą

W tunelu o długości 27 kilometrów pod granicą francusko-szwajcarską operatorzy przygotowują się do stopniowego wygaszania Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) w celu przeprowadzenia przedłużonej, starannie zaplanowanej przerwy. CERN zrewidował harmonogram akceleratora, tak aby Run 3 LHC trwał do lipca 2026 roku; w tym momencie maszyna i jej łańcuch inżektorów wejdą w fazę Long Shutdown 3 (LS3) — wieloletni okres instalacji i modernizacji przed erą High-Luminosity LHC.

Co przerwa oznacza w praktyce

Wyłączenie nie jest nagłym odcięciem zasilania, lecz złożoną sekwencją zaplanowanych okresów dostępu, prac inżynieryjno-budowlanych oraz instalacji sprzętu, które zmienią zarówno akcelerator, jak i cztery duże eksperymenty rozmieszczone na pierścieniu. Celem jest przygotowanie LHC do pracy przy znacznie wyższej „świetlności” — to techniczny termin określający liczbę zderzeń, jakie zderzacz może dostarczyć w ciągu sekundy — dzięki czemu fizycy będą mogli zgromadzić znacznie większe zestawy danych dotyczących rzadkich zjawisk. Harmonogram i strony projektowe CERN określają przejście z Run 3 do LS3 oraz planowany start programu High-Luminosity LHC w okolicach 2030 roku.

Przebudowa dla dziesięciokrotnego wzrostu ilości danych

High-Luminosity LHC (HL-LHC) nie jest pojedynczym nowym urządzeniem, lecz skoordynowanym zestawem modernizacji obejmującym magnesy, kriogenikę, systemy zasilania oraz same detektory. Jego celem jest zwiększenie zintegrowanej świetlności dostępnej dla eksperymentów o około dziesięć razy w całym okresie Run 4, co umożliwi precyzyjne pomiary bozonu Higgsa oraz poszukiwanie niezwykle rzadkich procesów, których zaobserwowanie jest dziś niemożliwe. Kampania instalacyjna ma ogromną skalę i czas trwania: komunikaty projektowe w ramach kolaboracji HL-LHC opisują skoncentrowany program prac podczas LS3, obejmujący kilka lat aktywności w tunelu i na powierzchni.

Dlaczego większa świetlność ma znaczenie

Większa liczba zderzeń oznacza dwie rzeczy dla fizyki cząstek elementarnych. Po pierwsze, poprawia precyzję pomiarów — na przykład właściwości bozonu Higgsa — co może ujawnić niewielkie odchylenia od Modelu Standardowego, wskazujące na nową fizykę. Po drugie, zwiększa szansę na zaobserwowanie bardzo rzadkich procesów lub nowych cząstek, których tempo produkcji jest znikome. HL-LHC to w istocie silnik statystyczny: jego budowa daje eksperymentatorom surowiec niezbędny do głębszego badania praw natury.

Co inżynierowie będą robić pod ziemią

LS3 będzie zdominowany przez prace inżynieryjne. Zespoły zainstalują i uruchomią nowe obwody nadprzewodzące i systemy magnesów, zamontują zmodernizowane magnesy typu „inner triplet” w pobliżu punktów zderzeń, wdrożą ulepszoną instrumentację wiązki i dodadzą innowacyjny sprzęt, taki jak wnęki typu „crab”, które poprawiają efektywne nakładanie się wiązek podczas kolizji. Kolaboracje detektorowe wymienią lub znacząco zmodernizują czułe podsystemy — detektory śladowe, kalorymetry i elektronikę odczytu — aby mogły one pracować w warunkach intensywniejszego promieniowania i zjawiska pile-up, jakie niesie ze sobą wyższa świetlność. Wiele z tych działań wymaga wielomiesięcznego, nieprzerwanego dostępu do infrastruktury kawern i tuneli.

Logistyka i międzynarodowy podział pracy

Ponieważ LHC i działające przy nim eksperymenty są przedsięwzięciami międzynarodowymi, program LS3 jest rozdzielony pomiędzy laboratoria i zakłady przemysłowe w państwach członkowskich oraz instytutach partnerskich. Produkcja komponentów HL-LHC trwa już w wielu krajach, a okno serwisowe jest jedynym praktycznym momentem na montaż, wysyłkę, instalację i testowanie tych systemów in situ. Harmonogram przewiduje ostrożny margines czasu na walidację instalacji przed ponownym uruchomieniem maszyny, ponieważ złożoność i energia zgromadzona w systemach nadprzewodzących pozostawiają niewiele miejsca na błędy.

Nauka nie zatrzyma się w ciszy

Nawet podczas braku wiązek oczekuje się, że dorobek naukowy pozostanie znaczący. Fizycy będą analizować ogromny zestaw danych z Run 3, publikując pomiary, weryfikacje i wyniki poszukiwań. Modernizacja oprogramowania, algorytmów rekonstrukcji i infrastruktury obliczeniowej stanowi integralną część przerwy: społeczność wykorzystuje czas przestoju na ulepszenie ścieżek analizy, ponowne przetwarzanie danych z lepszą kalibracją oraz trenowanie nowych modeli do odejmowania tła i wykrywania anomalii. Jak zauważyli komentatorzy i kierownictwo CERN, przerwa ta daje szansę na przetrawienie tego, co już zostało zebrane, oraz na doprecyzowanie pytań, na które HL-LHC powinien odpowiedzieć.

Energia, środowisko i eksploatacja

Duże akceleratory to obiekty energochłonne, a CERN monitoruje zużycie i wpływ na środowisko w ramach dyskusji o modernizacji. Organizacja opublikowała raporty środowiskowe i energetyczne szczegółowo opisujące roczne zużycie energii elektrycznej oraz cele mające na celu ograniczenie wzrostu konsumpcji, nawet przy wzroście wydajności. Niektóre komponenty maszyny (zwłaszcza systemy kriogeniczne utrzymujące nadprzewodnictwo magnesów) pobierają znaczną moc nawet wtedy, gdy wiązki są wyłączone, dlatego wymiar operacyjny i środowiskowy jest uwzględniany w planowaniu harmonogramu i utrzymania infrastruktury.

Koszty, polityka i przyszłość zderzaczy

LS3 i HL-LHC to kolejny pragmatyczny krok w celu wydobycia większej ilości fizyki z istniejącego pierścienia, ale planiści jednocześnie nakreślają wizje długoterminowych następców. CERN i jego partnerzy opublikowali studia projektowe dla proponowanego Przyszłego Zderzacza Kołowego (FCC), pierścienia o długości około 91 kilometrów, który miałby funkcjonować obok lub ostatecznie zastąpić LHC. Propozycja FCC jest na etapie projektu i będzie wymagać decyzji państw członkowskich oraz dużych nakładów kapitałowych, zanim będzie mogła zostać zrealizowana. To, jak narody zrównoważą inwestycje w HL-LHC, przyszłe zderzacze i inne priorytety badawcze, ukształtuje mapę drogową fizyki cząstek elementarnych w nadchodzących dekadach.

Na co zwrócić uwagę

W ciągu najbliższych 18 miesięcy warto obserwować trzy kwestie: zakończenie gromadzenia danych z Run 3 i publikacje, które po nim nastąpią, raporty z postępów projektu HL-LHC w miarę kończenia testów i produkcji głównych komponentów, oraz kalendarz polityczny dotyczący decyzji o finansowaniu większych obiektów w przyszłości. Każdy z tych czynników wpłynie nie tylko na sposób przeprowadzenia przestoju, ale także na to, co społeczność naukowca zdecyduje się mierzyć, gdy zderzacz zostanie ponownie uruchomiony.

Przerwa w pracy LHC jest zatem zarówno wyzwaniem technicznym, jak i spokojnym, celowym resetem. Maszyna, która zostanie uruchomiona na początku lat 30. XXI wieku, będzie miała inną charakterystykę — zbudowana nie po to, by osiągać wyższe energie, lecz by gromadzić zderzenia w tempie, jakie dzisiejsze instrumenty mogą sobie tylko wyobrazić. Dla fizyków i inżynierów przestój jest miejscem, w którym projektuje się odkrycia następnej generacji, panel po panelu i magnes po magnesie; dla opinii publicznej i decydentów jest to przypomnienie, że era wielkiej infrastruktury naukowej często przebiega na zmianę między okresami intensywnego zbierania danych a długą, żmudną budową.

Źródła

• CERN (komunikaty prasowe i aktualizacje harmonogramu)
• Dokumentacja projektowa i raporty techniczne High-Luminosity LHC (HL-LHC)
• Komunikaty i raporty o stanie eksperymentu CMS
• Komunikaty eksperymentu ATLAS
• Komunikaty eksperymentu LHCb