De belangrijkste CERN-vacuümsystemen uitgelegd 14 december 2018

De studie van de deeltjesfysica wordt uitgevoerd in machines die deeltjesversnellers (of deeltjesbotsers) worden genoemd. Deze machines gebruiken enorme elektromagnetische velden om protondeeltjes te versnellen tot snelheden die de snelheid van licht benaderen, ze in een fijne straal te focussen en vervolgens de stof te monitoren die het resultaat is van hun botsing met andere deeltjes.

De grootste en krachtigste deeltjesversneller ter wereld, de Large Hadron Collider (LHC), ging in 2008 in bedrijf en wordt beheerd door CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), 's werelds toonaangevende centrum voor internationale samenwerking op het gebied van nucleair onderzoek.

Een van de belangrijkste activiteiten van CERN is het uitvoeren van dergelijke deeltjesbotsingen binnen een reeks tunnels die grenzen aan Frankrijk en Zwitserland.

Deze tunnels (en de bijbehorende apparatuur en installatie) fungeren als een volwaardig nucleair onderzoekslaboratorium, waarbij protonen versnellers zijn rond een lus van 27 km met behulp van cryogenisch gekoelde en supergeleidende magneten die bij temperaturen worden gehouden die kouder zijn dan die in de buitenruimte.

Deze hogesnelheidsstralen van protonen worden in een detectiekamer geleid waar ze in een ultrahoog vacuüm botsen met een protonenwolk. De resulterende 'exotische stof' die uit deze botsing ontsnapt, is van korte duur, maar de afbraakproducten kunnen ons toch vertellen over de subatomische bouwstenen waaruit stof wordt gevormd, en dus de fundamentele natuurkunde die bijna alles in ons universum vormt en beheerst. 

In de loop der jaren is CERN geëvolueerd via talrijke upgrades. Elke evolutie bouwt voort op de successen van vorige fasen. Elke iteratie weerspiegelt de ambitieuzere doelstellingen van CERN, aangezien eerdere doelstellingen worden bereikt en de wetenschappers nog meer inzicht krijgen in de fascinerende wereld van subatomaire deeltjes.

De meest recente upgrade van het CERN-verhaal is de High-Luminosity LHC (HL-LHC), die onder andere inspeelt op het principe dat meer botsingen kunnen worden bereikt wanneer deeltjesstralen frontaal in botsing komen in plaats van onder een hoek. Deze verandering van oriëntatie zal meer deeltjesbotsingen opleveren, en dus meer gegevens om wetenschappers te helpen nog meer mysteries van het universum te onthullen.

Terwijl de LHC een miljard protonenbotsingen per seconde kan verwerken, richt de geüpgradede HL-LHC zich op zeven keer dit aantal, wat een tienvoudige toename van de verzamelde gegevens oplevert. Dit wordt bereikt door de straal van circulerende protonen nog scherper te focusseren met behulp van een nieuwe bank van 120 magneten, waaronder 24 supergeleidende quadrupolen en vier supergeleidende dipolen. Deze nieuwe magneten verhogen de veldsterkte van 8,1 naar 11,5 tesla. Dit werk zal ten vroegste tegen 2026 afgerond zijn.

De LHC, samen met de detectoren en andere belangrijke experimenten bij CERN, vereisen ultrahoge vacuümomstandigheden tijdens de werking. De belangrijkste CERN-vacuümsystemen zijn het balkvacuüm en het isolatievacuüm voor de krachtige supergeleidende magneten. 

Het balkvacuüm moet op een ultrahoog vacuümniveau staan om een goede levensduur van de balk en een lage achtergrond voor de experimenten te garanderen. Er worden zowel cryogene pompmechanismen (waarbij restgasmoleculen fysisch worden geadsorbeerd op het koude boorgatoppervlak bij 1,9 K) als niet-verdampbare getterpompmechanismen (NEG) gebruikt (waarbij restgasmoleculen chemisch worden geadsorbeerd op het oppervlak van de balkbuizen).

Het isolatievacuüm van de supergeleidende magneten, afgekoeld met vloeibaar helium tot 1,9 K (ca. -271 °C), moet zorgen voor een goede thermische isolatie van het koelsysteem om de lage temperaturen te handhaven.

De voornaamste hoog- en ultrahoogvacuümpomptechnologieën die in de LHC worden gebruikt, zijn ionenpompen en turbomoleculaire pompen, die ook bestand moeten zijn tegen specifieke operationele uitdagingen zoals tolerantie voor hoge stralings- en magnetische veldniveaus.

Om dergelijke grote vacuümsystemen betrouwbaar te kunnen gebruiken, moet ook de lekdichtheid worden gegarandeerd. Het opsporen van lekken tijdens de montage van de LHC was zonder twijfel de grootste uitdaging voor ontwikkelaars en operators van lekdetectoren. Nooit eerder werden zoveel gewrichten in één machine onderzocht! 

Upgrades van LHC naar HL-LHC zullen leiden tot een toename van 20-30% van de ontdekking van nieuwe deeltjes en zorgen voor de levensvatbaarheid van het hele LHC-project tot 2040.