Sistem vakum utama CERN diterangkan 14 Disember 2018

Kajian fizik zarah dijalankan dalam mesin yang dikenali sebagai pemecut zarah (atau penggempur zarah). Mesin-mesin ini menggunakan medan elektromagnet yang besar untuk mempercepat partikel proton ke kelajuan yang hampir mencapai kelajuan cahaya, memfokuskan mereka ke dalam sinar halus, dan kemudian memantau bahan yang dihasilkan daripada perlanggaran mereka dengan partikel lain.

Pengganda zarah terbesar dan paling berkuasa di dunia, Large Hadron Collider (LHC) mula beroperasi pada tahun 2008, dan dikendalikan oleh CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), pusat terkemuka di dunia untuk kerjasama antarabangsa dalam penyelidikan nuklear.

Salah satu aktiviti utama CERN adalah untuk menjalankan perlanggaran zarah sedemikian dalam satu siri terowong yang bersempadan dengan Perancis dan Switzerland.

Terowong-terowong ini (dan peralatan serta kilang yang berkaitan) berfungsi sebagai makmal penyelidikan nuklear berskala penuh, di mana proton dipercepatkan di sekitar gelung sepanjang 27 km menggunakan magnet yang disejukkan secara kriogenik dan superkonduktor yang disimpan pada suhu lebih sejuk daripada suhu di luar angkasa.

Bilah proton berkelajuan tinggi ini disalurkan ke dalam ruang pengesanan di mana ia bertembung dengan "awan" proton dalam vakum ultra-tinggi. "Bahan eksotik" yang terhasil daripada pertembungan ini mempunyai jangka hayat yang pendek, tetapi walau bagaimanapun, produk peluruhan dapat memberitahu kita tentang blok bangunan bersaiz sub-atom dari mana bahan terbentuk, dan dengan itu fizik asas yang membentuk dan mengawal hampir segala-galanya di dalam alam semesta kita. 

Selama bertahun-tahun, CERN telah berkembang melalui pelbagai peningkatan. Setiap evolusi membina kejayaan daripada peringkat sebelumnya. Setiap iterasi mencerminkan matlamat CERN yang lebih bercita-cita tinggi, apabila matlamat sebelumnya dicapai dan para saintis memperoleh lebih banyak pemahaman tentang dunia menarik zarah sub-atom.

Peningkatan terbaru dalam cerita CERN adalah LHC Luminositi Tinggi (HL-LHC), yang menumpukan (antara perkara lain) pada prinsip bahawa lebih banyak perlanggaran dapat dicapai apabila pancaran zarah bertembung secara langsung, bukannya pada sudut. Perubahan orientasi ini akan menghasilkan lebih banyak perlanggaran partikel, dan dengan itu lebih banyak data untuk membantu para saintis mengungkap lebih banyak misteri alam semesta.

Walaupun LHC dapat mengendalikan satu bilion perlanggaran proton setiap saat, HL-LHC yang ditingkatkan menyasarkan tujuh kali ganda jumlah ini, dengan itu menghasilkan peningkatan sepuluh kali ganda dalam data yang dikumpulkan. Ini akan dicapai dengan menumpukan sinar proton yang beredar dengan lebih ketat menggunakan satu set baru 120 magnet, termasuk 24 kuadrupol superkonduktor dan empat dipol superkonduktor. Magnet baru ini meningkatkan kekuatan medan dari 8,1 hingga 11,5 tesla. Kerja ini akan diselesaikan pada tahun 2026 pada paling awal.

LHC, bersama dengan pengesan dan eksperimen penting lain di CERN, memerlukan keadaan vakum ultra-tinggi semasa beroperasi. Sistem vakum utama CERN adalah vakum pancaran dan vakum penebat untuk magnet superkonduktor yang kuat. 

Vakuum pancaran perlu berada pada tahap vakum ultra-tinggi untuk memberikan jangka hayat pancaran yang baik dan latar belakang yang rendah untuk eksperimen. Kedua-dua pam kriogenik (di mana molekul gas residu diserap secara fizikal pada permukaan bore sejuk pada 1,9 K) dan mekanisme pam getter tidak boleh menguap (NEG) (di mana molekul gas residu diserap secara kimia pada permukaan paip pancaran) sedang digunakan.

Vakuum penebat bagi magnet superkonduktor, disejukkan dengan helium cecair kepada 1,9 K (lebih kurang. -271 °C), perlu memastikan penebat haba yang baik bagi sistem penyejukan untuk mengekalkan suhu rendah.

Teknologi pam vakum tinggi dan ultra-tinggi utama yang digunakan dalam LHC adalah pam ion dan pam turbomolekul, yang juga perlu menghadapi cabaran operasi tertentu seperti toleransi terhadap tahap radiasi dan medan magnet yang tinggi.

Untuk mengendalikan sistem vakum yang besar dengan cara yang boleh dipercayai, ketahanan kebocoran juga perlu dipastikan. Pengesanan kebocoran semasa pemasangan LHC sememangnya merupakan cabaran terbesar bagi pemaju dan pengendali pengesan kebocoran. Tidak pernah begitu banyak sendi diperiksa dalam satu mesin! 

Peningkatan dari LHC ke HL-LHC akan membawa kepada peningkatan 20-30% dalam penemuan partikel baru, serta memastikan kelangsungan keseluruhan projek LHC sehingga 2040.