คําอธิบายเกี่ยวกับระบบสุญญากาศหลักของ CERN 14 ธันวาคม 2018
การศึกษาฟิสิกส์อนุภาคจะดําเนินการในเครื่องจักรที่เรียกว่าเครื่องเร่งความเร็วอนุภาค (หรือเครื่องชนอนุภาค) เครื่องเหล่านี้ใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าขนาดใหญ่เพื่อเร่งอนุภาคโปรตอนให้มีความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วของแสง โฟกัสไปยังลําแสงละเอียด จากนั้นตรวจสอบสิ่งที่เกิดจากการชนกับอนุภาคอื่น ๆ
เครื่องเร่งอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดและทรงพลังที่สุดในโลก
เครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ที่สุดและทรงพลังที่สุดของโลก เครื่องชนขนาดใหญ่ Hadron Collider (LHC) เริ่มทํางานในปี 2008 และดําเนินการโดย CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) ซึ่งเป็นศูนย์ชั้นนําของโลกสําหรับการร่วมมือระหว่างประเทศในการวิจัยนิวเคลียร์
หนึ่งในกิจกรรมหลักของ CERN คือการดําเนินการชนปะทะของอนุภาคดังกล่าวภายในอุโมงค์ชุดหนึ่งที่อยู่ติดกับฝรั่งเศสและสวิตเซอร์แลนด์
อุโมงค์เหล่านี้ (และอุปกรณ์และโรงงานที่เกี่ยวข้อง) ทําหน้าที่เป็นห้องปฏิบัติการวิจัยนิวเคลียร์ขนาดเต็มที่ซึ่งโปรตอนเป็นตัวเร่งความเร็วรอบวงจร 27 กม. โดยใช้การระบายความร้อนแบบแช่เย็น และแม่เหล็กซุปเปอร์คอนดักเตอร์ที่เก็บไว้ที่อุณหภูมิที่เย็นกว่าอุณหภูมิในพื้นที่ภายนอก
ลําแสงโปรตอนความเร็วสูงเหล่านี้จะถูกส่งเข้าสู่ห้องตรวจจับที่ซึ่งจะชนกับ "คลาวด์" โปรตอนในสุญญากาศระดับสูงเป็นพิเศษ ผลลัพธ์ที่ได้จาก "สารแปลกใหม่" ที่รั่วไหลออกมาจากการชนนี้มีอายุการใช้งานสั้น แต่อย่างไรก็ตาม ผลิตภัณฑ์ที่สลายตัวสามารถบอกเราเกี่ยวกับบล็อกก่อสร้างขนาดย่อยของอะตอมที่ก่อตัวขึ้น ดังนั้นจึงเป็นฟิสิกส์พื้นฐานที่สร้างและควบคุมเกือบทุกอย่างในจักรวาลของเรา
ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา CERN ได้พัฒนาผ่านการอัปเกรดมากมาย แต่ละวิวัฒนาการสร้างขึ้นจากความสําเร็จของขั้นตอนก่อนหน้า แต่ละครั้งจะสะท้อนถึงเป้าหมายที่ทะเยอทะยานมากขึ้นของ CERN เนื่องจากบรรลุเป้าหมายก่อนหน้านี้และนักวิทยาศาสตร์ยังคงได้รับข้อมูลเชิงลึกเพิ่มเติมเกี่ยวกับโลกที่น่าตื่นเต้นของอนุภาคย่อยอะตอม
การอัปเกรดล่าสุดของเรื่องราวของ CERN คือ High-Luminosity LHC (HL-LHC) ซึ่งเน้นหลักการ (และอื่นๆ) ที่ว่าสามารถเกิดการชนปะทะมากขึ้นได้เมื่อลําแสงอนุภาคกระแทกจากด้านหน้าแทนที่จะทํามุม การเปลี่ยนแปลงทิศทางนี้จะทําให้เกิดการชนกันของอนุภาคมากขึ้น ดังนั้นจึงมีข้อมูลมากขึ้นเพื่อช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ค้นพบความลึกลับของจักรวาลได้มากขึ้น
ในขณะที่ LHC สามารถจัดการการชนกันของโปรตอนได้ถึงพันล้านครั้งต่อวินาที แต่ HL-LHC ที่ได้รับการอัปเกรดจะมุ่งเป้าไปที่จํานวนนี้เจ็ดเท่า ดังนั้นจึงให้ข้อมูลที่เก็บรวบรวมเพิ่มขึ้นสิบเท่า ซึ่งจะทําได้โดยการโฟกัสลําแสงของโปรตอนที่หมุนเวียนให้แน่นยิ่งขึ้นโดยใช้แถวแม่เหล็กใหม่ 120 แถว ซึ่งรวมถึงสี่ขั้วนําไฟฟ้ายอดเยี่ยม 24 ขั้วและไดโพลนําไฟฟ้ายอดเยี่ยม 4 ขั้ว แม่เหล็กใหม่เหล่านี้จะเพิ่มความแรงของสนามจาก 8.1 ถึง 11.5 เทสลา งานนี้จะเสร็จสิ้นอย่างเร็วที่สุดภายในปี 2026
LHC พร้อมกับเครื่องตรวจจับและการทดลองที่สําคัญอื่นๆ ที่ CERN ต้องการสภาวะสุญญากาศสูงพิเศษในขณะที่ทํางาน ระบบสุญญากาศหลักของ CERN คือระบบสุญญากาศแบบลําแสงและระบบสุญญากาศแบบฉนวนสําหรับแม่เหล็กนําไฟฟ้าพิเศษที่ทรงพลัง
สุญญากาศของลําแสงจําเป็นต้องอยู่ในระดับสุญญากาศที่สูงเป็นพิเศษเพื่อให้อายุการใช้งานของลําแสงที่ดีและพื้นหลังต่ําสําหรับการทดลอง มีการใช้ทั้งกลไกการปั๊มแบบเย็น (ซึ่งโมเลกุลก๊าซตกค้างถูกดูดซับทางกายภาพบนพื้นผิวรูเย็นที่ 1.9 K) และกลไกการปั๊มแบบไม่ระเหย (NEG) (ซึ่งโมเลกุลก๊าซตกค้างถูกดูดซับทางเคมีบนพื้นผิวของท่อคาน)
สุญญากาศฉนวนของแม่เหล็กซุปเปอร์คอนดักเตอร์ที่ถูกทําให้เย็นลงด้วยฮีเลียมเหลวจนถึง 1.9 K (ประมาณ -271 °C) จําเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจถึงฉนวนกันความร้อนที่ดีของระบบระบายความร้อนเพื่อรักษาอุณหภูมิให้ต่ํา
เทคโนโลยีปั๊มสุญญากาศระดับสูงและสูงพิเศษหลักที่ใช้ภายใน LHC คือปั๊มไอออนและปั๊มเทอร์โบโมเลกุล ซึ่งต้องรับมือกับความท้าทายในการปฏิบัติงานเฉพาะ เช่น ความทนทานต่อรังสีและระดับสนามแม่เหล็กสูง
เพื่อให้ระบบสุญญากาศขนาดใหญ่ดังกล่าวทํางานได้อย่างน่าเชื่อถือ จําเป็นต้องมีการป้องกันการรั่วซึมด้วย การตรวจจับการรั่วไหลในระหว่างการประกอบ LHC เป็นความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดสําหรับนักพัฒนาและผู้ปฏิบัติงานเครื่องตรวจจับการรั่วไหล ไม่เคยมีข้อต่อมากมายที่ต้องตรวจสอบในเครื่องเดียว!
การอัปเกรดจาก LHC เป็น HL-LHC จะนําไปสู่การเพิ่มขึ้น 20-30% ในการค้นพบอนุภาคใหม่ รวมถึงการรับประกันความเป็นไปได้ของโครงการ LHC ทั้งหมดจนถึงปี 2040
