磁石の探偵たち

電流計の数値は徐々に上昇していきました。 そうじゃなくなるまでは。 実際、突然下がりました。 「ああ」とジョルジオ・アンブロージオは思ったことを覚えている。 「ヒューストン、問題があるんです。」

アンブロジオ氏は、米国エネルギー省フェルミ国立加速器研究所の科学者で、大型ハドロン衝突型加速器の高光度アップグレード用の米国製磁石の組み立てを監督しています。 このアップグレードにより、LHC 内の陽子の数が 2 倍になり、ビームダイナミクスが改善されるため、実験データセットが 10 倍に増加します。これにより、物理学者は珍しい物理現象を研究し、宇宙の質量と物質の起源についてさらに学ぶことができるようになります。

HL-LHC アップグレードには 150 個の新しい加速器磁石が必要です。 米国では、LHC 加速器アップグレード プロジェクトが、衝突直前にビームを絞り、以前のものより 2 倍強力になる新しい集束磁石を構築しています。

しかし、アンブロジオ氏と米国の同僚がテストしていた新しい集束磁石は失敗した。 磁石が死んでいた。

長さ 5 メートルの電磁石には、稲妻とほぼ同じ 16,530 アンペアの電流を流す必要があります。 磁石は極低温に冷却されると超伝導体になるため、熱を発生させることなくこの巨大な電流を流すことができます。 アンブロジオのような科学者は、使用前に磁石をテストして「訓練」するために電流を導入し、徐々に増加させます。

アンブロジオ氏と、CERN フェローのアリス・モロス氏のような同僚は、特に複雑で独自の、市販されていないテクノロジーを扱う場合、「うまくいかないこと」が科学のプロセスの一部であることを知っています。 「世界中の他のあらゆるものと同様、磁石も完璧ではあり得ません」とモロス氏は言います。

そこで、米国チームは磁石を横に置き、別の磁石のテストを開始しました。 電流は再び増加し、再び突然減少しました。 彼らはそれを復活させようとしましたが、電流は上昇することを拒否しました。2番目の磁石が死んでいたのです。

「最悪なのは、これが 2 つの磁石で連続して 2 回起こったことです」とアンブロジオ氏は言います。 「氷山に遭遇した後のタイタニック号に乗っているような気分でした。」

それはただ二つの不運な偶然だったのでしょうか？ それとも、磁石の設計の弱点が LHC アップグレード プロジェクト全体を沈没させようとしていたのでしょうか? 犯人を見つけることは極めて重要であり、LHC 研究プログラムの将来はそれにかかっていたのです。

HL-LHC 集束磁石の製造には、6 か月にわたる数百の工程が含まれます。 問題はプロセスのどの部分からも発生した可能性があります。

アンブロジオと彼の同僚は、最初に失敗した磁石に注目しました。 その早すぎる終焉はどのような秘密を明らかにするのでしょうか? 「私たちはすぐに調査を開始しました」とアンブロジオ氏は言います。

容疑者No. 1: ケーブルの巻き取り。

各磁気コイルは 1 本のケーブルで構成され、長さ 4.2 メートルのチタン製ポールに長さ方向に 50 回巻き付けられます。 このケーブルは、脆いニオブ錫フィラメントが充填された 40 本のより線で構成されているため、繊細です。 これらのワイヤの 1 つが所定の位置から外れると、コイル全体に損傷を与えるピンチポイントが作成される可能性があります。

壊れたコイルでは、「巻き上げ中にワイヤーを 2 回修理する必要がありました」とアンブロジオ氏は言います。 「そこで、ワイヤーが再び動いたのかという疑問が生じました。」

容疑者No. 2: 予期せぬ遅延。

巻いた後、技術者は、熱処理、結合剤の塗布、部品のはんだ付けを通じて、未加工のコイルを機能的で頑丈な超電導磁石に変えます。 ワインディングと硬化には通常 2 週間かかりますが、犠牲者はたまたま、最初に新型コロナウイルスが発生したときに作業していたものでした。

「私たちはコイルの製造を開始しましたが、その後 12 週間停止しなければなりませんでした」とアンブロジオ氏は言います。 「これはかなり珍しいことですが...でも、影響はありましたか?」

容疑者No. 3: 対称性の破れ。

集束磁石は四重極で、それぞれが長くて中空の円筒を形成するように組み合わされた 4 つの別個のコイルから作られていました。 磁石が全電流でオンになると、電磁力によって 4 つのコイルの端が 100 トンの力で引っ張られます。