자석 탐정

전류계의 판독값이 점차 상승하고 있었습니다. 그렇지 않을 때까지. 사실 갑자기 떨어졌어요. "어-오" 조르지오 암브로시오(Giorgio Ambrosio)는 이런 생각을 기억합니다. "휴스턴, 우리에게 문제가 생겼다."

Ambrosio는 미국 에너지부 산하 페르미 국립 가속기 연구소의 과학자로 대형 강입자 충돌기의 고광도 업그레이드를 위해 미국에서 제작한 자석 조립을 감독합니다. LHC 내부의 양성자 수를 두 배로 늘리고 빔 역학을 개선함으로써 업그레이드를 통해 실험 데이터세트가 10배로 증가할 것입니다. 이를 통해 물리학자들은 희귀한 물리적 현상을 연구하고 우주의 질량과 물질의 기원에 대해 더 많이 배울 수 있게 될 것입니다.

HL-LHC 업그레이드에는 150개의 새로운 가속기 자석이 필요합니다. 미국에서는 LHC 가속기 업그레이드 프로젝트(LHC Accelerator Upgrade Project)가 충돌 직전에 빔을 짜내고 이전 모델보다 두 배 더 강력한 새로운 초점 자석을 구축하고 있습니다.

그러나 Ambrosio와 그의 미국 동료들이 테스트하고 있던 새로운 초점 자석은 실패했습니다. 자석이 죽었습니다.

5미터 길이의 전자석은 16,530암페어의 전류를 전달해야 합니다. 이는 대략 번개에 해당하는 전류입니다. 매우 낮은 온도로 냉각되면 초전도체가 되기 때문에 자석은 열을 발생시키지 않고 이 거대한 전류를 전달할 수 있습니다. Ambrosio와 같은 과학자들은 사용하기 전에 자석을 테스트하고 "훈련"하기 위해 전류를 도입하고 점차적으로 늘립니다.

Ambrosio와 CERN 동료인 Alice Moros와 같은 동료들은 “작동하지 않는 것”이 과학 과정의 일부라는 것을 알고 있습니다. 특히 복잡하고 독창적이며 상업적으로 이용 가능한 기술이 아닌 기술로 작업할 때 더욱 그렇습니다. "자석은 세상의 다른 모든 것과 마찬가지로 완벽할 수 없습니다"라고 Moros는 말합니다.

그래서 미국 팀은 자석을 옆으로 치워두고 또 다른 자석을 테스트하기 시작했습니다. 다시 전류가 증가했다가 다시 갑자기 떨어졌습니다. 그들은 그것을 되살리려고 노력했지만 전류는 상승하기를 거부했습니다. 두 번째 자석이 죽었습니다.

"가장 나쁜 점은 두 개의 자석에서 연속해서 이런 일이 두 번 일어났다는 것입니다."라고 Ambrosio는 말합니다. “빙산을 만난 후 타이타닉에 탑승한 것 같은 느낌이 들었습니다.”

단지 두 번의 불운한 우연이었을까? 아니면 전체 LHC 업그레이드 프로젝트를 침몰시키려는 자석 설계의 약점이었습니까? 범인을 찾는 것이 매우 중요했습니다. LHC 연구 프로그램의 미래가 이에 달려 있었습니다.

HL-LHC 포커싱 자석의 생산에는 6개월 동안 수백 단계의 공정이 필요합니다. 프로세스의 모든 부분에서 문제가 발생할 수 있습니다.

Ambrosio와 그의 동료들은 실패한 첫 번째 자석에 관심을 돌렸습니다. 시기적절한 종말이 어떤 비밀을 드러낼 수 있을까요? Ambrosio는 “우리는 즉시 조사를 시작했습니다.”라고 말했습니다.

용의자 번호 1: 케이블 권선.

각 자기 코일은 4.2m 길이의 티타늄 기둥을 세로로 50번 감싼 단일 케이블로 구성됩니다. 케이블은 깨지기 쉬운 니오븀-주석 필라멘트로 채워진 40개의 꼬인 전선으로 구성되어 있으므로 섬세합니다. 이러한 와이어 중 하나가 제자리에서 떨어지면 전체 코일을 손상시키는 핀치 포인트가 생성될 수 있습니다.

코일이 파손된 경우 "감는 동안 와이어를 두 번 고쳐야 했습니다"라고 Ambrosio는 말합니다. "그래서 우리는 와이어가 다시 움직였습니까?"라는 질문이 생겼습니다.

용의자 번호 2: 예상치 못한 지연.

권선 후 기술자는 열처리, 결합제 적용 및 부품 납땜을 통해 원시 코일을 기능적이고 견고한 초전도 자석으로 변환합니다. 감기와 치료에는 보통 몇 주가 걸리지만 피해자는 우연히 코로나19가 처음 발생했을 때 작업 중이던 사람이었습니다.

Ambrosio는 "우리는 코일 제조를 시작한 후 12주 동안 중단해야 했습니다."라고 말합니다. "이건 꽤 특이한 일인데... 그런데 영향이 있었나요?"

용의자 번호 3: 깨진 대칭.

초점 자석은 4극자였습니다. 즉, 각각은 길고 속이 빈 원통형을 형성하기 위해 함께 맞춰진 4개의 개별 코일로 만들어졌습니다. 자석이 최대 전류로 켜지면 전자기력이 100톤의 힘으로 4개의 코일 끝을 잡아당깁니다.