Acceleratorul Large Hadron Collider (LHC), care doar ce fusese repornit după o defecţiune la sistemul electric, a suferit o nouă oprire, de data aceasta pentru aproximativ două luni. Presa românească a preluat ştirea, desigur, fără să explice ce s-a întâmplat. Pe scurt, atunci când nu erau protoni în accelerator, dar când se testa la curent electric de intensitate maximă ultimul sector de magneţi superconductori, a avut loc un incident şi heliul lichid s-a evaporat în tunelul acceleratorului ("quench"). În articolul complet explicăm cum funcţionează în mod normal un magnet superconductor şi poate avea loc un "quench" atunci când sunt protoni în accelerator.

Quench, explicat pe scurt

Un fascicul de protoni iese din traiectoria circulară şi loveşte unul din electromagneţi ce, foarte rece fiind datorită heliului lichid cu care este în contact, conduce curentul electric foarte intens fără pierderi de căldură (este superconductor). Aşa că zona lovită din electromagnet începe să conducă curentul electric cu pierderi de căldură, iar în scurt timp întregul magnet devine cald, nu mai este superconductor şi nu mai poate produce câmpul mangetic intens necesar pentru LHC, iar heliul lichid devene gaz şi se evaporă rapid în atmosferă. Tehnicienii trebuie apoi să răcească iaraşi electromagneţii, să aducă iaraşi heliu lichid. Cum "quench"-ul descris mai sus a avut loc la cam o sută de magneţi, ei bine, va lua cel puţin două luni până când situaţia aceasta va fi remediată. În continuare vom analiza mai în detaliu cum poate avea loc un un "quench".

Cum funcţionează un magnet superconductor?

Protonii sunt menţinuţi în o mişcare circulară în interiorul inelului LHC de către un câmp magnetic foarte intens. Acest câmp este dat de peste 1500 de magneţi. Ei bine, cum se creează acest câmp magnetic? Fiecare magnet este de fapt un ... electromagnet, adică un curent electric foarte intens trece prin bobine conductoare, iar aceasta creează un câmp magnetic. Însă cum curentul electric ce trece prin un fir conductor duce la încălzirea firului, atunci o parte din energia electrică se duce sub formă de căldură. Iar cum curenţii electrici sunt foarte intenşi, pierderile de energie sub formă de căldură sunt foarte mari. De aceea, fizicienii nu folosesc materiale obişnuite pentru aceste bobine, ci folosesc materiale ... superconductoare. Ce sunt acestea? Ele au proprietatea magică că permit curgerea curentului electric fără nici o pierdere de energie! Atenţie! Nu este vorba de pierderi mici, de pierderi neglijabile, ci de pierderi zero, un zero matematic. Dacă nu ştiaţi că asemenea materiale încă există, suntem siguri că de acum veţi aprecia mult mai mult mecanica cuantică, teorie dezvoltată în anii 1920 pentru a explica comportamentul bizar al atomilor, dar care are iată aplicaţii practice fenomenale. Datorită acestor materiale superconductoare, cercetătorii reuşesc să realizeze curenti electrici încă şi mai intens, care produc câmpuri magnetice şi mai intense, care permit menţinerea pe cerc a protonilor la viteze şi mai mari. Aceasta pentru că cu cât viteza protonilor este mai mare, cu atât e nevoie de un câmp magnetic mai intens pentru a îi ţine în orbită. Dacă materialele superconductoare nu ar fi fost inventate, atunci LHC-ul nu ar fi existat astăzi. Ba chiar şi acceleratorul care a fost cel mai puternic din lume în ultimele două decenii, anume acceleratorul Tevatron de la laboratorul american Fermilab, nici el nu ar fi existat fără acesti magneţi superconductori.

Cât de uşor se poate realiza un material superconductor? Ei bine, trebuie ca metalul respectiv să fie răcit foarte foarte mult, până la vreo 2 Kelvin (adică doar vreo două grade peste temperatura de zero absolut). Pentru aceasta, ansamblul acceleratorului este răcit întâi cu azot lichid până la 77 Kelvin, iar apoi cu heliu lichid până pe la 3-4 Kelvin. Până la urmă, inelul de accelerare ajunge la 1.9 Kelvin, fiind astfel chiar mai rece decât spaţiul cosmic! Fascinant, nu?

Astfel, bobinele de electromagnet sunt foarte reci, de aceea conduc curentul electric fără pierderi de căldura (sunt superconductoare), de aceea pot produce un câmp magnetic foarte intens şi protonii se pot deplasa pe cerc în inelul acceleratorului LHC. Fasiculul de protoni este mai subţire ca un fir de păr, atât de subţire este.

Cum apare această problema denumită "quench"?

Există aşadar un joc foarte fin între câmpul electric care accelerează aceste particule şi câmpul electric care le menţine pe o orbită circulară pentru ca protonii să facă turul acceleratorului. Dacă apar mici variaţii (şi pot apărea, mai ales acum, când LHC-ul este în perioadă de teste), atunci se poate ca fasciculul subţire de protoni să iasă de pe traiectoria lui circulară şi să lovească unul din magneţii foarte reci şi deci superconductori. Ei bine, atunci magnetul să încălzeşte în zona micuţă în care primeşte fasciculul de protoni. Acea zonă micuţă nu mai este rece, deci nu mai este superconductoare, deci conduce curentul electric, dar cu pierdere de cădură, care încălzeşte apoi zona de lângă, care atunci nu mai este nici ea superconductoare, care conduce şi ea cu pierdere, deci emană şi ea cădură, care încălzeşte zona de lângă ... şi tot aşa, încât în un interval scurt întregul magnet încetează a mai fi superconductor, ci este doar un magnet normal, care nu poate crea câmpurile magnetice intense necesare pentru LHC. În plus, această căldură degajată în un timp scurt face ca heliul lichid (care era foarte rece, cam la 3-4 Kelvin şi menţinea şi magneţii reci şi superconductori) se încâlzeşte şi el, devine gaz şi se evaporă cu presiune. Tocmai de aceea există supape pe unde heliul gazos este eliminat în atmosferă. Acest fenomen este denumit tehnic ca şi "quench" şi veţi mai auzi de el de multe ori dacă veţi urmări atent ştirile de la LHC în următoriul deceniu.

Pentru a repune LHC-ul în funcţiune, tehnicienii LHC-ului vor răci răci iaraşi instalaţia, vor aduce iaraşi heliu care răcindu-se devine lichid, până când magnetul este iaraşi rece şi superconductor.

De data aceasta însă, cam o sută de magneţi au suferit acest "quench" descris mai sus. O parte din heliu a scăpat chiar şi în tunelul LHC-ului. Cum nimeni nu era şi nici nu trebuia să fie în tunel atunci, nimeni nu a fost pus în pericol. Pentru siguranţă,  pompierii au fost chemaţi pentru a examina zona. Aceasta arată grija oamenilor de la CERN pentru ca LHC-ul să fie mereu sigur pentru mediu, pentru public şi pentru cerctători. Se pare că este nevoie de cel puţin două luni pentru ca aceşti magneţi să fie făcuţi iaraşi superconductori, iar apoi testele vor fi reluate spre a realiza primele coliziuni proton-proton la LHC.

Cu explicaţiile de mai sus, sperăm acum că veţi înţelege uşor ştirea foarte bine prezentată de către BBC şi CERN. De asemenea, vă invităm să comparaţi articolul BBC şi articolul nostru cu articolele din presa românească despre aceeaşi ştire: Ziua, Realitatea, Antena3, Hotnews, Adevarul, Cotidianul, TVR, EuropaFM, EvZ, Gardianul.

Articol scris pentru www.StiintaAzi.ro şi www3.FizicaParticulelor.ro. de Adrian Buzatu, doctorand în fizica particulelor la universitatea McGill, Montreal, participant la experimentul CDF de la acceleratorul Tevatron de la laboratorul american Fermilab, adică la acceleratorul care a fost cel mai puternic din lume în ultimii 20 de ani, înainte de lansarea LHC-ului. Momentan, Tevatronul este rodat foarte bine, produce date experimentale de calitate, iar cercetorii de la Fermilab fac descoperiri peste descoperiri. Ba chiar sunt în luptă activă cu LHC-ul pentru descoperirea bozonului Higgs, particula care dă masă materiei şi este denumită metaforic "particula lui Dumnezeu". Mulţumiri lui Anonim de la comentarii de la Hotnews care mi-a atras atenţia corect că de fapt în cadrul acestui "quench" nu erau protoni în accelerator, cum credeam eu iniţial. Când vor fi protoni şi va avea loc un "quench" se va întâmpla cum am descris în articol.

Fragmentul în care descriu un quench cu protoni a fost preluat şi de Antena3 în acest articol din 29 septembrie 2008. Din păcate, articolul conţinea greşeala de mai sus. Eu făcusem schimbarea la StiintaAzi.ro, dar uitasem să o fac şi aici. Ne cerem scuze pentru incovenientul cauzat către Antena3 şi le mulţumim că au citat cu sursă şi autor pasajul pe care l-au preluat. Pasajul este adevărat, am descris ceea ce ştiu din ceea ce lucrez eu, numai că aceea are loc în 99% din cazuri. În cazul acesta, quenchul are avut la cauză primară o defecţiune electrică, dar apoi s-a manifestat în acelaşi mod. Între timp au fost multe alte articole noi pe site care au explicat ceea ce s-a întâmplat ce era de fapt. Una peste alta, felicitări Antena3 că informează corect cititorii acum despre LHC!