Un comienzo alentador para la Carrera 3

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Por Mike Lamont

Mike Lamont es Director de Aceleradores y Tecnología

31 agosto, 2022

En tiempos difíciles, es reconfortante ver el complejo del acelerador del CERN en pleno funcionamiento nuevamente, con la física entregada a los experimentos en ISOLDE y HIE-ISOLDE, n_TOF, AD-ELENA, el Área Este, el Área Norte, AWAKE, HiRadMat, CLEAR y, por supuesto, el LHC, a pesar de la actual parada temporal no programada, y un gran trabajo que se está haciendo con los haces de prueba y en las instalaciones de irradiación.

Por el lado del LHC, tras una extensa puesta en marcha con haz, las primeras colisiones con los detectores encendidos se produjeron al día siguiente de celebrar el 10º aniversario del descubrimiento del bosón de Higgs. Los primeros haces estables fueron seguidos por un período de puesta en servicio intercalado y aumento de intensidad. Cada año, la cantidad de racimos por viga se incrementa cuidadosamente en etapas, con la aprobación del panel de protección de la máquina después de un período de tiempo designado/cantidad de llenados en una configuración determinada. Este año, el LHC aumentó de 72 a 315, 603, 987, 1227, 1551, 1935, 2173 y luego 2413 racimos por haz en el espacio de cinco semanas y media, con el primer llenado de 1227 racimos el 29 Julio, unos días antes de lo previsto. Se logró un progreso saludable, a pesar de una combinación familiar de problemas en el camino, y se lograron 2440 racimos para el 12 de agosto.

La experiencia nos dice que el primer año de operación con viga después de un cierre de tres años tiene el potencial de ser un poco difícil. Los desafíos previstos incluyeron enfriamientos adicionales de entrenamiento del dipolo principal debido a que la máquina ahora opera a 6.8 TeV, nube de electrones y caída de objetos no identificados (OVNI).

El equipo de vacío había anticipado pantallas de haz completamente desacondicionadas y la necesidad de reiniciar desde cero con una campaña de reducción de nubes de electrones. Un programa completo de depuración llevó con éxito la nube de electrones inicialmente muy alta a niveles aceptables, y se prevé un mayor acondicionamiento durante las largas ejecuciones de física de alta intensidad. Aquí, el problema clave es la carga de calor de la nube electrónica al sistema criogénico, un límite operativo real en la intensidad máxima que puede manejar el LHC.

También se esperaba que los ovnis, una verdadera pesadilla en 2015, reaparecieran en número después de LS2. De hecho, resultó ser el caso, pero, afortunadamente, se han condicionado rápidamente y ahora ocurren con menos frecuencia. Aunque sigue siendo una causa de volcados prematuros ocasionales, gracias a la gestión cuidadosa de los umbrales de pérdida de haz, no han sido debilitantes.

Paralelamente, ha habido la necesaria reinserción y depuración de extensos y complejos sistemas aceleradores. La disponibilidad reciente ha sido moderada en comparación con los impresionantes niveles alcanzados al final de la ejecución 2.

El rendimiento de Luminosity ha sido impresionante. Gracias a las mejoras realizadas durante el programa de actualización de inyectores (LIU), los inyectores han estado proporcionando un haz de alta calidad con un tamaño de haz transversal reducido. Los procedimientos bien establecidos y el excelente control de parámetros en el LHC han permitido explotar todo el potencial de los haces. Por el momento, el equipo de Operaciones todavía está trabajando con una intensidad de grupo nominal, con la posibilidad de ir significativamente más alto aún por ejercitar. El excelente rendimiento es testimonio de la inversión continua en comprensión, herramientas, desarrollo de máquinas, física de aceleradores, sistemas de aceleradores como instrumentación y retroalimentación transversal, así como mucho trabajo duro.

Aunque el LHC tiene el potencial de ir significativamente más alto, la luminosidad máxima para el Run 3 está limitada a alrededor de 2e34 cm-2 s-1 debido a la carga de calor de los desechos de luminosidad, que impacta en los imanes triples internos superconductores. La luminosidad se limita mediante desplazamiento transversal o variando el tamaño del haz en el punto de interacción. Se han implementado nuevas y sofisticadas herramientas de operación para reducir suavemente el tamaño del haz en haces estables (nivelación beta*) con el fin de mantener el nivel de luminosidad en su valor máximo durante el mayor tiempo posible.

Con una disponibilidad razonable y algunos rellenos prolongados, las tasas de producción han sido buenas y el 23 de agosto se entregaron 11 fb-1 a ATLAS. Sin embargo, cuando la curva de luminosidad apunte alto, nunca extrapole: enfadará a los dioses aceleradores. Habíamos previsto extinguidores de entrenamiento, ovnis, carga de calor de nubes de electrones y depuración del sistema y, de hecho, nos atrapó uno grande el 23 de agosto.

Un problema de control de la torre de enfriamiento eliminó temporalmente la criogenia en el Punto 4. Aquí, el sistema de criogenia enfría no solo los imanes sino también las cavidades de RF superconductoras. Tras el incidente, el helio líquido de los criomódulos de RF se calentó y vaporizó, aumentando la presión dentro de los módulos. Esta situación está prevista y las válvulas de escape están instaladas en caso de que la presión suba por encima de cierto nivel, ajustadas con cuidado para evitar daños en las cavidades de RF. Las válvulas de liberación están respaldadas por "discos de explosión" de grafito delgados, que están diseñados para abrirse a una presión más alta que la que activa la apertura de las válvulas de liberación.

El 23 de agosto, las válvulas de escape se abrieron según lo previsto. Desafortunadamente, en los minutos que siguieron, 3 discos de ráfaga (de 16) se abrieron por debajo de su valor de diseño. Ya se había establecido un grupo de trabajo que había realizado investigaciones detalladas después de un incidente similar a principios de año; ya se habían planificado medidas de mitigación para la próxima parada técnica de fin de año.

Un disco de ruptura soplado abre los módulos al aire, lo que requiere un calentamiento de diez días para eliminar la humedad de las cavidades, seguido de un enfriamiento y reacondicionamiento de la cavidad. El final del período de recuperación se superpone con una parada técnica planificada de cinco días y esperamos volver a estar en acción con Beam en la segunda quincena de septiembre.

El equipo de criogenia ha desarrollado un modo de economía de energía para el LHC y puede cambiar en un día a una configuración con menos unidades activas, ahorrando alrededor de 9 MW. Este modo se utiliza durante el período de puesta en marcha del haz y las carreras de iones, cuando no se requiere la capacidad de refrigeración total del sistema. Este modo se implementó inmediatamente durante la recuperación de RF.

A pesar del incidente de RF, el rendimiento del LHC y, de hecho, todo el complejo del acelerador es muy alentador y es un buen augurio para una Ejecución 3 productiva. Que estas máquinas con décadas de antigüedad (¡el PS tiene 63 este año!) y las instalaciones asociadas continúen entregar su increíble espectro de física al límite de sus capacidades es testimonio de la dedicación, el compromiso y el ingenio continuos de todos los involucrados.