Sistem vakum utama CERN dijelaskan 14 Desember 2018
Studi fisika partikel dilakukan dalam mesin yang dikenal sebagai akselerator partikel (atau tabrakan partikel). Mesin ini menggunakan medan elektromagnetik besar untuk mempercepat partikel proton hingga kecepatan mendekati kecepatan cahaya, memfokuskannya ke dalam sinar halus, lalu memantau materi yang dihasilkan dari tabrakan dengan partikel lain.
Akselerator partikel terbesar dan terkuat di dunia
Akselerator partikel terbesar dan terkuat di dunia, Large Hadron Collider (LHC) mulai beroperasi pada tahun 2008, dan dijalankan oleh CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), pusat terkemuka di dunia untuk kolaborasi penelitian nuklir internasional.
Salah satu aktivitas utama CERN adalah melakukan tabrakan partikel semacam itu di dalam serangkaian terowongan yang berbatasan dengan Prancis dan Swiss.
Terowongan-terowongan ini (dan peralatan dan pabrik terkait), bertindak sebagai laboratorium penelitian nuklir skala penuh, di mana proton adalah akselerator sekitar siklus 27 km menggunakan magnet superkonduktif yang didinginkan secara kriogenik dan ditahan pada suhu yang lebih dingin daripada di luar angkasa.
Sinar proton berkecepatan tinggi ini disalurkan ke dalam ruang deteksi di mana mereka bertabrakan dengan "awan" proton dalam vakum ultra tinggi. "Materia eksotis" yang dihasilkan yang tumpah dari tabrakan ini berumur pendek, tetapi tetap saja, produk pembusukan dapat memberi tahu kita tentang blok bangunan berukuran subatomik dari mana materi terbentuk, dan dengan demikian fisika dasar yang membentuk dan mengendalikan hampir semua hal di alam semesta kita.
Selama bertahun-tahun, CERN telah berkembang melalui berbagai peningkatan. Setiap evolusi dibangun di atas keberhasilan tahap sebelumnya. Setiap iterasi mencerminkan tujuan CERN yang lebih ambisius, karena tujuan sebelumnya tercapai dan para ilmuwan masih mendapatkan wawasan lebih lanjut tentang dunia partikel subatomik yang menarik.
Peningkatan terbaru dalam cerita CERN adalah High-Luminosity LHC (HL-LHC), yang menyempurnakan (antara lain) prinsip bahwa lebih banyak tabrakan dapat dicapai ketika sinar partikel membentur dari depan, bukan dari sudut. Perubahan orientasi ini akan menghasilkan lebih banyak tabrakan partikel, sehingga lebih banyak data untuk membantu ilmuwan mengungkap lebih banyak misteri alam semesta.
Sementara LHC dapat mengelola satu miliar tabrakan proton per detik, HL-LHC yang ditingkatkan bertujuan untuk tujuh kali lipat angka ini, sehingga menghasilkan peningkatan sepuluh kali lipat dalam data yang dikumpulkan. Hal ini akan dicapai dengan memfokuskan sinar proton yang bersirkulasi lebih ketat menggunakan bank baru 120 magnet, termasuk 24 kuadrupole superkonduktif dan empat dipola superkonduktif. Magnet baru ini meningkatkan kekuatan medan dari 8,1 hingga 11,5 tesla. Pekerjaan ini akan selesai paling awal pada tahun 2026.
LHC, bersama dengan detektor dan eksperimen utama lainnya di CERN, memerlukan kondisi vakum ultra-tinggi saat dioperasikan. Sistem vakum utama CERN adalah vakum balok dan vakum isolasi untuk magnet superkonduktif yang kuat.
Vakum balok harus berada pada tingkat vakum ultra tinggi untuk memberikan masa pakai balok yang baik dan latar belakang yang rendah untuk eksperimen. Kedua mekanisme pemompaan kriogenik (di mana molekul gas residu diserap secara fisik pada permukaan bore dingin pada 1,9 K) dan pemompaan getter non-evaporable (NEG) (di mana molekul gas residu diserap secara kimia pada permukaan pipa balok) digunakan.
Vakum insulasi magnet superkonduktif, didinginkan dengan helium cair hingga 1,9 K (sekitar -271 °C), perlu memastikan insulasi termal yang baik dari sistem pendinginan untuk mempertahankan suhu rendah.
Teknologi pompa vakum tinggi dan ultra-tinggi utama yang digunakan dalam LHC adalah pompa ion dan pompa turbomolekuler, yang juga harus mengatasi tantangan operasional tertentu seperti toleransi terhadap tingkat radiasi dan medan magnet yang tinggi.
Untuk mengoperasikan sistem vakum besar dengan cara yang andal, kebocoran juga harus dipastikan. Deteksi kebocoran selama perakitan LHC jelas merupakan tantangan terbesar bagi pengembang dan operator detektor kebocoran. Belum pernah ada sejumlah sambungan yang diperiksa dalam satu mesin!
Peningkatan dari LHC ke HL-LHC akan menyebabkan peningkatan 20-30% dalam penemuan partikel baru, serta memastikan kelayakan keseluruhan proyek LHC hingga 2040.
