LHC rumo ao futuro: testes começam no CERN para aumentar a luminosidade em dez vezes.
O CERN inicia testes em escala real do HiLumi LHC com resfriamento criogênico a 1,9 K do IT String, uma plataforma de testes de 95 metros que replica a configuração subterrânea dos novos ímãs tripleto internos de Nb3Sn, projetados para multiplicar a luminosidade do Grande Colisor de Hádrons a partir de 2030.
O CERN alcançou um importante marco técnico na modernização do Grande Colisor de Hádrons (LHC) : o início do resfriamento criogênico a 1,9 kelvin da plataforma de testes de 95 metros de comprimento que reproduz fielmente a configuração subterrânea dos novos sistemas magnéticos destinados ao LHC de Alta Luminosidade (HiLumi LHC) .
Este é um passo fundamental para validar a infraestrutura que entrará em operação após o período de parada técnica do LS3 e que permitirá, a partir de 2030, um aumento de uma ordem de magnitude no número de colisões de prótons. O objetivo é aumentar substancialmente a luminosidade , um parâmetro que mede o número de interações por unidade de área e tempo, determinando a quantidade de dados físicos disponíveis para experimentos.
O que é o HiLumi LHC e por que ele representa um salto tecnológico?
O HiLumi LHC é o programa de modernização mais significativo para o acelerador europeu nos últimos vinte anos. O projeto visa aumentar a luminosidade integrada em dez vezes em comparação com os níveis nominais atuais do LHC.
Um aumento na luminosidade leva a um aumento proporcional no número de colisões observáveis por experimentos. Isso se traduz em:
- aumento das estatísticas para processos raros ;
- medições mais precisas das propriedades do bóson de Higgs ;
- Sensibilidade ampliada a fenômenos que vão além do Modelo Padrão .
A física de altas energias exige enormes quantidades de dados para isolar sinais extremamente fracos do ruído de fundo. O aumento da luminosidade permite-nos explorar regimes que antes tinham um alcance limitado.
A Linha de TI: uma réplica em tamanho real da planta do metrô.
A plataforma de testes, chamada Inner Triplet String (IT String), foi construída em uma sala de testes de superfície. Sua função é reproduzir com precisão a arquitetura que será instalada no túnel do LHC, próximo aos experimentos ATLAS e CMS .
O comprimento total de 95 metros permite a integração de:
- ímãs de focalização triplete internos;
- sistemas criogênicos;
- linhas de alimentação elétrica;
- Sistemas de proteção e alinhamento.
Cada subsistema já havia sido testado individualmente. A bancada de testes foi projetada para verificar o comportamento coletivo em condições reais de operação, com atenção especial à interação entre os componentes mecânicos, elétricos e criogênicos.
Resfriamento até 1,9 K: Significado físico e complexidade de engenharia
O sistema foi projetado para operar a 1,9 kelvins (-271,3 °C) , a temperatura na qual o hélio líquido entra em estado superfluido. Essa condição garante propriedades térmicas excepcionais, incluindo condutividade térmica extremamente alta e ausência de viscosidade macroscópica.
O IT String é resfriado utilizando um sistema de refrigeração e distribuição de hélio líquido altamente complexo. A redução gradual da temperatura leva várias semanas para evitar estresse termomecânico excessivo nas estruturas magnéticas e nas conexões criogênicas.
O LHC já é a maior instalação criogênica do mundo. A integração dos novos ímãs de Nb3Sn mantém a temperatura de operação em 1,9 K, mas introduz requisitos mais rigorosos de estabilidade e proteção contra transições resistivas.
Ímãs Triplos Internos: O Coração do Aumento de Brilho
A melhoria no brilho se baseia na instalação de novos ímãs de focalização nas laterais dos pontos de interação do experimento.
Os ímãs atuais do LHC utilizam uma liga supercondutora de nióbio-titânio (NbTi) . A HiLumi apresenta ímãs baseados em nióbio-estanho (Nb3Sn) , um material capaz de suportar campos magnéticos significativamente mais intensos.
Por que Nb3Sn é estratégico
O composto Nb3Sn pode gerar campos magnéticos mais intensos do que o NbTi. Isso permite:
- maior intensidade de focalização do feixe ;
- uma redução do parâmetro β* , que descreve o tamanho do feixe no ponto de colisão;
- um aumento direto no brilho .
No entanto, o Nb3Sn é mais frágil mecanicamente do que o NbTi e requer processos complexos de fabricação e tratamento térmico. A integração em larga escala representa um grande desafio de engenharia.
Cavidades em forma de caranguejo e colimadores de cristal: novas tecnologias para aceleradores de prótons
O HiLumi LHC introduz soluções tecnológicas nunca antes adotadas em um acelerador de prótons.
Cavidades supercondutoras em forma de caranguejo
As cavidades em forma de caranguejo são cavidades supercondutoras de radiofrequência que inclinam os feixes antes da colisão. O objetivo é maximizar a sobreposição dos pacotes de prótons, apesar do ângulo de cruzamento imposto pela geometria do anel.
Essa técnica permite recuperar o brilho sem aumentar ainda mais a corrente do feixe.
Colimadores de cristal
Os colimadores de cristal exploram a estrutura cristalina de cristais orientados para desviar partículas fora de sua trajetória. Um controle mais eficiente do halo do feixe reduz o risco de danos aos ímãs supercondutores.
Linhas de transferência em supercondutores de alta temperatura
As novas linhas de transmissão utilizam supercondutores de alta temperatura para transportar energia até os ímãs com menores perdas e maior eficiência energética.
LS3: a transformação do acelerador
Este verão marcará o início da Longa Parada 3 (LS3) , um período de quatro anos dedicado à transformação da infraestrutura do LHC na configuração HiLumi.
Durante o LS3 haverá:
- Novos ímãs triplos internos instalados;
- cavidades integradas para caranguejos;
- Sistemas criogênicos e de proteção atualizados;
- parte modificada da estrutura do túnel.
A validação preventiva via IT String permite otimizar os procedimentos de instalação, as sequências de conexão e os protocolos de comissionamento.
Impacto nos experimentos ATLAS e CMS
Os experimentos ATLAS e CMS estão passando por uma atualização paralela. O aumento da luminosidade resulta em um número muito maior de colisões simultâneas para cada cruzamento de feixes, um fenômeno conhecido como acúmulo de colisões (pileup) .
Para gerir esta complexidade, estão previstas as seguintes medidas:
- novos detectores de pixels de alta granularidade;
- sistemas de gatilho aprimorados;
- Arquiteturas computacionais avançadas para análise de dados.
A capacidade de reconstruir eventos raros na presença de centenas de interações sobrepostas exige inovações significativas tanto em hardware quanto em algoritmos.
Colaboração internacional e estrutura do projeto
O projeto HiLumi LHC é coordenado pelo CERN com a participação de quase 50 instituições em mais de 20 países. O financiamento provém dos Estados-Membros e Estados Associados, com contribuições adicionais de países europeus e de Estados não membros, como os Estados Unidos, o Japão, o Canadá e a China.
Essa cooperação reflete a natureza global da física de altas energias e a complexidade técnica de uma infraestrutura que envolve conhecimento especializado em:
- física dos materiais;
- engenharia criogênica;
- eletromagnetismo aplicado;
- Tecnologias de radiofrequência;
- Sistemas de controle industrial.
O significado científico do aumento do brilho.
A descoberta do bóson de Higgs em 2012 completou a estrutura do Modelo Padrão, mas muitas propriedades ainda precisam ser medidas com precisão. O LHC HiLumi permitirá investigações sobre:
- a autointeração do bóson de Higgs;
- processos de fabricação duplamente raros;
- Canais de decaimento com seções de choque extremamente baixas.
A autointeração do campo de Higgs está relacionada à forma do potencial eletrofraco e fornece informações sobre os primeiros momentos da evolução cósmica.
Perspectivas operacionais até 2030
A conclusão do processo de resfriamento da coluna de tubulação representa uma etapa intermediária para sua instalação final no túnel. A validação dos sistemas integrados reduz o risco técnico e permite um planejamento mais preciso das operações do LS3.
Com previsão de entrada em operação em 2030, o LHC inaugurará uma nova fase experimental para a física de partículas de alta energia. O aumento da luminosidade, combinado com detectores aprimorados e ferramentas avançadas de análise de dados, ampliará o escopo do LHC para a exploração de fenômenos que antes estavam no limite da sensibilidade experimental.
O resfriamento do IT String a 1,9 K marca, portanto, um passo concreto do projeto à validação operacional completa das tecnologias que darão suporte ao futuro do acelerador europeu. O sucesso dos testes em escala real estabelece a base técnica para a transformação da infraestrutura e a expansão das capacidades experimentais em física de altas energias na próxima década.
O artigo "LHC rumo ao futuro: começam os testes no CERN para aumentar a luminosidade em dez vezes" foi escrito em: Tech | CUENEWS .
