Der Large Hadron Collider (LHC) steht seit Ende Juni still – nicht wegen einer Panne, sondern für seinen bislang größten Umbau. Für den High-Luminosity-LHC (HL-LHC) hat das CERN nun einen wichtigen Meilenstein gemeldet: Alle acht am CERN gebauten Quadrupolmagnete aus Niob-Zinn (Nb₃Sn), die für den Einbau benötigt werden, sind fertig und vollständig getestet. Zwei Ersatzmagnete befinden sich in der letzten Fertigungsphase. Das teilte das CERN am 28. Oktober mit.

Die Magnete gehören zu den sogenannten Inner Triplets: den letzten Fokussiermagneten vor den Kollisionspunkten der großen Experimente ATLAS und CMS. Sie sollen die Protonenstrahlen dort deutlich enger bündeln als bisher. Nach Angaben des CERN sind sie das Ergebnis von mehr als drei Jahrzehnten Forschung und Entwicklung an supraleitenden Magneten aus Niob-Zinn.

Die neuen Magnete in Zahlen

Die am CERN gefertigten Quadrupole tragen die Bezeichnung MQXFB. Sie haben eine magnetische Länge von 7,2 Metern und eine nominelle Spitzenfeldstärke von 11,3 Tesla. Laut CERN sind es die längsten Nb₃Sn-Magnete in Beschleunigerqualität, die je gebaut wurden. Zum Vergleich: Die Quadrupole aus Niob-Titan im bisherigen LHC kommen nominell auf 8,6 Tesla. Zudem ist die Öffnung für den Strahl mit 150 Millimetern größer.

Jeder Quadrupol wird mit einem Korrekturmagneten des spanischen Forschungszentrums CIEMAT zu einer Kryo-Baugruppe kombiniert. Acht davon werden benötigt, jeweils zwei auf jeder Seite von ATLAS und CMS. Die letzte der acht Baugruppen bestand am 1. September ihren Test im kalten Zustand, einschließlich einer abschließenden Hochspannungsprüfung. Wie die übrigen Exemplare erreichte sie den Zielstrom von 16,53 Kiloampere sowohl bei 1,9 als auch bei 4,5 Kelvin, behielt ihre Leistung nach einem Aufwärm- und Abkühlzyklus und ließ sich mit bis zu 100 Ampere pro Sekunde hochfahren.

Auch das Zusammenspiel der Komponenten hat das CERN erprobt. In der Testanlage IT String ist die künftige Wechselwirkungszone nahe ATLAS und CMS in Originalgröße nachgebaut. Am 8. Juli erreichten die dort eingebauten Inner-Triplet-Magnete ihren Nennstrom von 16 230 Ampere, ohne ein einziges Mal ihre Supraleitung zu verlieren. Anschließend liefen alle 17 Stromkreise der Anlage mit ihren Betriebsströmen.

Supraleitung: Warum Niob-Zinn so anspruchsvoll ist

Supraleitende Spulen leiten sehr hohe Ströme ohne Verluste durch elektrischen Widerstand – nur so lassen sich die nötigen Feldstärken erreichen. Die Hauptdipole des LHC etwa führen 11 080 Ampere und erzeugen 8,3 Tesla, mehr als das 100 000-Fache des Erdmagnetfelds. Dafür müssen die Magnete extrem kalt sein: Im IT String hielt ein Heliumbad die Magnete auf 1,9 Kelvin, also minus 271 Grad Celsius.

Niob-Zinn ermöglicht laut CERN rund 50 Prozent höhere Magnetfelder als die heutigen LHC-Magnete aus Niob-Titan, ist aber schwierig zu verarbeiten: Das Material ist spröde, muss nach dem Wickeln der Spulen bei hoher Temperatur wärmebehandelt werden und erschwert den Schutz bei einem Quench, dem plötzlichen Verlust der Supraleitung. Susana Izquierdo Bermúdez, die am CERN für die Magnete der HL-LHC-Wechselwirkungszonen verantwortlich ist, beschreibt die Skalierung von kurzen Modellmagneten auf die volle Länge als große Herausforderung. Erst schrittweise Verbesserungen bei der Spulenfertigung und der Montage hätten anfängliche Leistungsmängel behoben.

Wie alle supraleitenden Beschleunigermagnete müssen die neuen Exemplare zudem „trainiert“ werden. Beim schrittweisen Hochfahren des Stroms kommt es anfangs zu Quenches, oft ausgelöst durch winzige mechanische Bewegungen. Mit jedem Zyklus setzen sich Spulen und Stützstruktur, bis der Magnet stabil höhere Ströme verkraftet. Entscheidend ist, dass er dieses Training auch nach dem Aufwärmen „behält“; ein gutes Gedächtnis spart laut CERN später Inbetriebnahmezeit und Kühlaufwand.

Wie Quadrupole Strahlen bündeln – und warum das mehr Kollisionen bringt

Im LHC haben die Magnettypen verschiedene Aufgaben. Die 1232 Hauptdipole halten die Protonen auf der Kreisbahn. Quadrupole mit ihren vier symmetrisch um das Strahlrohr angeordneten Polen drücken den Strahl dagegen vertikal oder horizontal zusammen und halten ihn so kompakt. Beiderseits der Kollisionspunkte sitzt jeweils ein Inner Triplet aus drei Quadrupolen, das die Strahlen kurz vor dem Zusammenstoß bündelt.

Zwei ausgestellte Querschnitte von LHC-Magneten an einer Wand: links ein Dipol, rechts ein Quadrupol, jeweils mit zwei Strahlrohren und kupferfarbenen Spulen

Bild: Ausgestellte Querschnitte eines LHC-Hauptdipols (links) und eines LHC-Hauptquadrupols (rechts). Die kupferfarbenen supraleitenden Spulen umschließen jeweils die beiden Strahlrohre. Foto: Ajheindel, Wikimedia Commons, CC0

Je stärker die Strahlen am Kollisionspunkt gebündelt sind, desto mehr Protonen treffen bei jeder Begegnung zweier Teilchenpakete aufeinander. Genau das beschreibt die Luminosität: Sie ist proportional zur Zahl der Kollisionen pro Zeit. Bisher kam es in ATLAS und CMS pro Paketbegegnung zu rund 60 Kollisionen, beim HL-LHC sollen es 140 bis 200 sein. Dafür müssen die Strahlen intensiver und stärker fokussiert sein – hier kommen die neuen Quadrupole ins Spiel.

Insgesamt soll der HL-LHC die integrierte Luminosität, also die gesammelte Datenmenge, gegenüber dem ursprünglichen Auslegungswert des LHC um den Faktor zehn steigern. Ein inverses Femtobarn entspricht dabei rund 100 Billionen Kollisionen. Bis Ende 2025 hatte der LHC insgesamt 500 inverse Femtobarn geliefert; der HL-LHC soll mehr als 250 pro Jahr und bis zu 4000 über seine gesamte Laufzeit sammeln. Der Grund für den Aufwand: Viele gesuchte Prozesse sind extrem selten. Das CERN rechnet vor, dass der HL-LHC über seine Laufzeit rund 380 Millionen Higgs-Bosonen erzeugen könnte – seit dem Start des LHC waren es etwa 55 Millionen.

Arbeitsteilung mit den USA

Die Entwicklung der Magnete begann im US-Programm LARP (LHC Accelerator Research Program) und wurde in Zusammenarbeit von CERN und US-Partnern fortgeführt. Auch beim Bau teilen sich beide Seiten die Arbeit: Für die Positionen Q1 und Q3 der Triplets liefert das US-Projekt HL-LHC AUP (Accelerator Upgrade Project) zehn Kryo-Baugruppen, acht für den Einbau und zwei als Reserve. Jede enthält zwei kürzere Nb₃Sn-Quadrupole von je 4,2 Metern Länge, die laut CERN ebenso leistungsfähig sind. Die Baugruppen werden am Fermilab in Batavia (Illinois) getestet; sieben davon sind nach Angaben der Organisation bereits am CERN eingetroffen. Von den übrigen neuen Magnet-Baugruppen der Wechselwirkungszonen, also den Dipolen zum Trennen und Zusammenführen der Strahlen und weiteren Korrekturmagneten, sind rund 70 Prozent fertig.

Zeitplan: Einbau ab 2028, Betrieb ab Mitte 2030

Am 27. Juni 2026 endete der Kollisionsbetrieb des LHC; seitdem läuft der Long Shutdown 3 (LS3), der bis zu vier Jahre dauern soll. Auf mehr als 1,2 der 27 Kilometer des Rings wird der Beschleuniger dabei abgebaut und durch neue Systeme ersetzt, der Rückbau der bisherigen Triplets hat bereits begonnen. Parallel rüsten ATLAS und CMS ihre Detektoren mit neuen Komponenten um. Nach aktuellem Plan verlagert sich der Schwerpunkt in einigen Monaten auf den Einbau der neuen Magnet-Baugruppen; die ersten Magnete sollen 2028 in den Tunnel abgesenkt werden. Beschleunigerkomplex und Experimentieranlagen sollen ab Mitte 2028 schrittweise wieder anlaufen, der HL-LHC selbst soll Mitte 2030 in Betrieb gehen.

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