Deeltjesversneller voor het eerst kouder dan heelal

Het eerste deel van de Large Hadron Collider (LHC), de deeltjesversneller in aanbouw op CERN, Genève, heeft een temperatuur bereikt van 1,9 Kelvin (-271,1 graden Celsius). Dat is kouder dan heel diep in het heelal. Hoewel de eerste afgekoelde sector slechts een achtste deel vormt van de hele LHC ring van 27 kilometer lengte, is het toch al de grootste supergeleidende installatie ter wereld. De gehele ring moet uiteindelijk afgekoeld worden tot deze temperatuur, zodat de supergeleidende magneten, die de protonen in hun baan houden, in hun supergeleidende toestand blijven. Supergeleiding heeft als voordeel dat de elektrische stroom weinig weerstand ondervindt in de magneet, waardoor er een intens en sterk magneetveld wordt opgewekt door relatief kleine magneten, en er weinig energie verloren gaat. Het is geen gemakkelijke taak om twee protonbundels in hun baan te houden terwijl deze met bijna de lichtsnelheid rondjes draaien, en de protonen te focusseren in de botsingspunten. In totaal zijn 1650 supergeleidende magneten nodig, wat een enorme technische uitdaging vormt. "Dit is de eerste grote technische validatie van een echt onderdeel van de LHC op ware grootte, waar mensen al meer dan tien jaar aan ontwerpen en bouwen." legt Frank Linde, directeur van het Nikhef uit. Het Nationaal instituut voor subatomaire fysica Nikhef coördineert de Nederlandse deelname aan de LHC versneller en detectoren. 

Het afkoelingsproces bestaat uit drie delen, waartussen diverse tests en controles plaatsvinden. Gedurende de eerste fase vindt afkoeling plaats tot 80 Kelvin (-193 graden Celsius), net boven het kookpunt van stikstof. Bij deze temperatuur heeft 90% van de uiteindelijke inkrimping van het materiaal plaatsgevonden, 3 millimeter per meter staalconstructie. Iedere staalconstructie is 3,3 kilometer lang, dus de totale krimp komt op 9,9 meter! Op speciale plaatsen zijn dan ook constructies ter compensatie van de krimp bedacht, zoals expansiebalgen voor pijpelementen, en loshangende kabels. De tests moeten ervoor zorgen dat er geen hardware breekt tijdens het afkoelen. 

Vervolgens gaat de temperatuur omlaag naar 4,5 Kelvin (-268,5 graden Celsius) met behulp van enorme koelkasten. Elke sector van de LHC ring heeft zijn eigen koelkast. Iedere magneet is gevuld met vloeibare helium, de koelvloeistof voor de LHC, gekozen omdat het als enige vloeibaar is bij deze temperatuur. 

Uiteindelijk helpt een geavanceerd pompsysteem om de druk omlaag te brengen en de magneten tot 1,9 Kelvin af te koelen. Om de druk op 15 millibar te krijgen gebruikt het systeem zowel hydrodynamische centrifugaalcompressor bij lage temperatuur als een schroefcompressor die bij kamertemperatuur werkt. De temperatuur van 1,9 Kelvin zorgt ervoor dat de supergeleidende materialen efficiënter werken en bevordert de koelcapaciteit van het helium. Bij deze temperatuur wordt helium namelijk een supervloeistof, waardoor de viscositeit bijna afwezig is en de warmte-overdrachtscapaciteit groter is. 

Het gehele proces van kamertemperatuur naar 1,9 Kelvin neemt ongeveer vier weken in beslag. De condities zijn nu goed om de prestaties van alle magneten in deze sector van de LHC te testen. Deze eerste echte test is nodig voor een perfect functioneren later dit jaar, als in november de LHC aan gaat. Jos Engelen, wetenschappelijk directeur van CERN, zet het bereiken van deze mijlpaal in perspectief: " Dit is een indrukwekkende technologische prestatie - 4700 ton 'koude massa' op 1,9 Kelvin houden onder stabiele condities! Van de fundamentele ontdekkingen van Kamerlingh Onnes komen we nu bij hele grootschalige toepassingen in minder dan een eeuw tijd."

Voor meer informatie: Gabby Zegers, wetenschapsvoorlichter NIKHEF, (020) 592 50 75.

Zie ook www.nikhef.nl, www.cern.ch en voor specifieke informatie over de LHC versneller zie http://lhc.web.cern.ch/lhc/.