Bagaimana vakum mempengaruhi pemecut zarah terbesar dan paling berkuasa di dunia 19 Oktober 2020

Terletak jauh di bawah sempadan Franco-Swiss adalah satu cincin besar yang diperbuat daripada logam dan magnet: Large Hadron Collider (LHC), penghancur zarah terbesar dan paling berkuasa di dunia.

Terletak 100 meter di bawah tanah di CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), LHC terdiri daripada cincin magnet superkonduktor sepanjang 27 kilometer. Pengganda pemecut membolehkan dua aliran zarah berenergi tinggi bergerak ke arah bertentangan pada kelajuan yang hampir dengan cahaya sebelum bertembung antara satu sama lain.

Satu perlanggaran yang berjaya dan berkuasa memerlukan tahap vakum ultra-tinggi dikekalkan semasa LHC beroperasi. Berikut adalah gambaran keseluruhan tentang sistem vakum utama yang digunakan dalam pemecut.

Sebuah perlanggaran melibatkan dua zarah yang "dihantar" pada kelajuan tinggi ke arah bertentangan, dengan setiap zarah berada dalam tiubnya sendiri. Dua tiub ini mesti disimpan pada tahap vakum yang sangat tinggi untuk memaksimumkan tempoh sinar dan mengekalkan tekanan rendah untuk eksperimen. Ini dicapai melalui apa yang dikenali sebagai vakum pancaran.

Dua mekanisme pam digunakan untuk mencapai ini:

• Pemompaan kriogenik: molekul gas residu secara fizikal diserap ke dalam permukaan bore sejuk pada suhu 1,9 K
• Pemompaan getter tidak boleh menguap (NEG): molekul gas residu diserap secara kimia ke atas permukaan paip pancaran 

Magnet superkonduktor LHC disejukkan dengan helium cecair pada suhu 1,9 K (kira-kira. -271 °C). LHC menggunakan vakum yang kuat untuk mengasingkan secara termal magnet dan seterusnya mengekalkan suhu yang sangat rendah yang diperlukan untuk perlanggaran yang berjaya.

Teknologi pam utama yang digunakan dalam pemecut adalah:

Pam Ion adalah sejenis pam vakum yang beroperasi dengan menyemburkan getter logam.

Pam turbomolekul beroperasi berdasarkan prinsip bahawa molekul gas boleh dibuat untuk mengalami perlanggaran berulang dengan permukaan pepejal yang bergerak untuk mencapai momentum ke arah yang diingini.

Kedua-dua sistem pam mesti mempunyai keupayaan untuk bertoleransi terhadap tahap radiasi dan medan magnet yang tinggi.

Salah satu cabaran utama yang dihadapi semasa memasang LHC adalah pengesanan kebocoran: ketahanan kebocoran mesti dipastikan untuk mengendalikan sistem vakum besar dengan boleh dipercayai.

Kebocoran boleh menyebabkan tekanan asas meningkat melebihi atau jatuh di bawah tahap yang diperlukan, mengakibatkan keperluan untuk kerja semula yang signifikan — dan mahal.

LHC sedang dinaik taraf dan penggantinya akan dikenali sebagai High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC). Naik taraf ini bermula pada Jun 2018 dan dijadualkan siap pada tahun 2027. Perubahan ini dijangka akan meningkatkan julat penemuan zarah baru sebanyak kira-kira 20-30% berbanding LHC yang sedia ada dan juga memanjangkan jangka hayat LHC hingga 2040.