Kvadrupóly pro modernizaci LHC vydržely na zkušebně plný proud bez ztráty supravodivosti

CERN staví nad zemí kus svého budoucího urychlovače nanečisto. Sestava se jmenuje IT String, kopíruje úsek, který má jednou být pod zemí vedle experimentu CMS, a 8. července na ní nové kvadrupólové magnety dostaly jmenovitý provozní proud 16 230 ampérů. Laboratoř to oznámila 21. července 2026. Magnety mají u míst srážek stlačit svazky protonů těsněji než dosud, a tím zvýšit počet srážek; modernizovaný urychlovač HiLumi LHC má podle CERNu začít fungovat v roce 2030.

Otvor se zvětšil víc než dvakrát

Dnešní zaostřovací magnety v LHC mají cívky z niobu a titanu. Nové jsou ze sloučeniny niobu a cínu, Nb₃Sn, a proti současným se liší ve dvou číslech. Otvor pro svazek vzrostl ze 70 na 150 milimetrů a pole, ve kterém magnety pracují, má 11,3 tesla. To je podle CERNu asi o 35 % víc, než zvládá dnešní generace těchhle magnetů. Nové kusy mají přijít po obou stranách experimentů ATLAS a CMS.

Niob s cínem snese vyšší proud, jenže se s ním podle Fermilabu hůř pracuje: supravodivým se stane až po tepelném zpracování za vysoké teploty a po něm je křehký.

Trénink a paměť magnetu

Čerstvě vyrobený supravodivý magnet se nedá zapnout naplno hned. Prochází tréninkem: proud se zvyšuje v několika cyklech po sobě a magnet přitom obvykle několikrát přejde ze supravodivého stavu do normálního. Tomu přechodu se říká quench. První výpadky přicházejí ještě pod jmenovitým proudem a spouštějí je drobné mechanické nestability uvnitř cívky; opakovanými cykly se cívka i její nosná konstrukce srovnají se silami, které na ně působí, a dosažitelný proud roste. Trénuje se na samostatných stolicích, ještě než magnet zamíří do urychlovače.

Nové kvadrupóly došly na jmenovitý proud bez jediného takového výpadku. CERN to čte jako doklad, že si magnety podržely trénink z dřívějších samostatných zkoušek. Té schopnosti se v oboru říká paměť.

„Dobrá paměť je u urychlovačových magnetů klíčový požadavek, protože zkracuje dobu uvádění do provozu, spotřebu chladiva i provozní prodlevy,“ říká Susana Izquierdo Bermudez, která v CERNu vede pracoviště velkých magnetů. (přeloženo)

Zbylých šestnáct okruhů

Kvadrupóly jsou jen část sestavy. IT String má sedmnáct elektrických okruhů a všechny se podle CERNu podařilo napájet na provozní proudy. Oddělovací dipól, který má po srážce rozvést oba svazky od sebe, se na jmenovitý proud dostal až po několika tréninkových výpadcích. Korekční magnety došly na cílové proudy samostatně i při společném provozu; ty jsou z niobu a titanu, tedy ze stejného materiálu jako dnešní magnety LHC.

Energii uloženou v magnetech odvádí při potížích ochranná soustava do lázně helia, které je drží na 1,9 kelvinu, tedy −271 °C. Během zkoušek takhle bezpečně odvedla a rozptýlila až 38 megajoulů.

Kolik je „o polovinu víc“

Údaj o tom, oč jsou nové cívky lepší, vypadá ve dvou pramenech jinak. CERN píše o 35 % proti dnešní generaci zaostřovacích magnetů. Giorgio Apollinari, ředitel amerického projektu HL-LHC Accelerator Upgrade Project, řekl v srpnu 2025 Fermilabu, že niob s titanem zvládne v urychlovači pole do 8 tesla a niob s cínem zhruba o polovinu víc. Obě čísla mohou platit zároveň: jedno srovnává dva hotové magnety, druhé možnosti materiálu.

Ze stejného rozhovoru pochází i tvrzení, že jde o první nasazení niobu s cínem v urychlovači vůbec. Apollinari to říká o technologii jako takové, ne o jednom magnetu.

Čtyři kusy přišly z Ameriky

Ne všechny kvadrupóly v sestavě vznikly v CERNu. Americký projekt AUP, na kterém se podílejí laboratoře Fermilab, Brookhaven a Lawrence Berkeley, jich čtyři vyrobil, odzkoušel a v roce 2025 poslal do CERNu; každý váží 25 tun. Marta Bajko, která zkušební sestavu vede, je tehdy označila za poslední díl skládačky. Na modernizaci se podle únorové tiskové zprávy Fermilabu podílí bezmála padesát institucí z více než dvaceti zemí, převážně evropských.

V září znovu

Napájením všech okruhů skončila fáze, ve které se technika uváděla do provozu. „Kampaň vydala obrovské množství dat, která teď rozebíráme, abychom lépe pochopili, jak spolu všechny soustavy fungují,“ uvedl Samer Yammine, který má provoz IT String na starost (přeloženo). Rozbor se týká magnetů, soustavy chlazeného napájení, měničů, detekce a ochrany proti quenchi, kryogeniky, vakua, řízení i ustavení.

Sestavu čeká ještě série cílených zkoušek, pak se ohřeje na pokojovou teplotu a znovu zchladí. Druhá provozní kampaň má být v září a podle Bajko se zaměří na ověření postupů a nástrojů pro rozbor dat a na to, že se výkon celé sestavy dá zopakovat. Ta sestava je zkušebna nad zemí; má napovědět, jak se bude chovat to, co se do tunelu jednou složí doopravdy.

Zdroje

• HiLumi LHC: new magnets reach full power, CERN, 21. července 2026
• HiLumi LHC: full-scale tests start, Fermilab, únor 2026
• Fermilab technology debuts in supercollider dress rehearsal at CERN, Fermilab, 14. srpna 2025