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Los detectives magnéticos.

Sep 20, 2023

La lectura del molinete iba subiendo poco a poco. Hasta que no lo fue. De hecho, cayó repentinamente. “Uh-oh”, recuerda haber pensado Giorgio Ambrosio. "Houston, tenemos un problema."

Ambrosio es un científico del Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía de EE. UU. que supervisa el ensamblaje de los imanes construidos en EE. UU. para la actualización de alta luminosidad del Gran Colisionador de Hadrones. Al duplicar el número de protones dentro del LHC y mejorar la dinámica del haz, la actualización aumentará los conjuntos de datos experimentales en un factor de 10. Esto permitirá a los físicos estudiar fenómenos físicos raros y aprender más sobre el origen de la masa y la materia en el universo.

La actualización del HL-LHC necesita 150 nuevos imanes aceleradores. En Estados Unidos, el Proyecto de Actualización del Acelerador del LHC está construyendo nuevos imanes de enfoque, que apretarán el haz justo antes de las colisiones y serán dos veces más potentes que sus predecesores.

Pero el nuevo imán de enfoque que Ambrosio y sus colegas estadounidenses estaban probando había fallado; el imán estaba muerto.

Los electroimanes de 5 metros de largo necesitan transportar 16.530 amperios de corriente, aproximadamente la misma cantidad que un rayo. Debido a que se convierten en superconductores cuando se enfrían a temperaturas muy bajas, los imanes pueden transportar esta enorme corriente sin generar calor. Científicos como Ambrosio introducen y aumentan gradualmente la corriente para probar y “entrenar” los imanes antes de su uso.

Ambrosio y colegas como Alice Moros, miembro del CERN, saben que “que las cosas no funcionen” es parte del proceso de la ciencia, especialmente cuando se trabaja con tecnología compleja, única y no disponible comercialmente. "Un imán, como todo lo demás en el mundo, no puede ser perfecto", afirma Moros.

Entonces, el equipo estadounidense dejó el imán a un lado y comenzó a probar otro. Una vez más, la corriente aumentó y otra vez cayó repentinamente. Intentaron reanimarlo, pero la corriente se negó a subir: un segundo imán estaba muerto.

"Lo peor es que esto sucedió dos veces, en dos imanes, consecutivamente", dice Ambrosio. "Me sentí como si estuviera en el Titanic después de encontrarse con el iceberg".

¿Fueron sólo dos coincidencias desafortunadas? ¿O una debilidad en el diseño de los imanes estuvo a punto de hundir todo el proyecto de actualización del LHC? Encontrar al culpable era vital: el futuro del programa de investigación del LHC dependía de ello.

La producción de los imanes de enfoque HL-LHC implica cientos de pasos a lo largo de un período de seis meses. El problema podría haber surgido en cualquier parte del proceso.

Ambrosio y sus colegas centraron su atención en el primer imán que falló. ¿Qué secretos podría revelar su prematura desaparición? “Comenzamos la investigación de inmediato”, dice Ambrosio.

Sospechoso no. 1: el bobinado del cable.

Cada bobina magnética consta de un único cable enrollado 50 veces a lo largo de un poste de titanio de 4,2 metros de largo. El cable es delicado porque consta de 40 alambres retorcidos llenos de frágiles filamentos de niobio y estaño. Si uno de estos cables se saliera de su lugar, podría crear un punto de pellizco que comprometería toda la bobina.

En la bobina rota, “tuvimos que arreglar un cable dos veces durante el bobinado”, dice Ambrosio. “Entonces nos preguntamos: ¿se volvió a mover el cable?”

Sospechoso no. 2: un retraso inesperado.

Después del bobinado, los técnicos transforman la bobina en bruto en un imán superconductor funcional y resistente mediante tratamientos térmicos, aplicación de agentes aglutinantes y soldadura de componentes. El bobinado y el curado suelen tardar un par de semanas, pero resultó que su víctima era una en la que estaban trabajando cuando apareció el COVID por primera vez.

“Comenzamos la fabricación de bobinas y luego tuvimos que detenerla durante 12 semanas”, dice Ambrosio. “Esto es bastante inusual... ¿Pero tuvo algún impacto?”

Sospechoso no. 3: una simetría rota.

Los imanes de enfoque eran cuadrupolos, lo que significa que cada uno estaba hecho de cuatro bobinas separadas unidas para formar un cilindro largo y hueco. Cuando el imán se enciende a plena corriente, las fuerzas electromagnéticas tiran de los extremos de las cuatro bobinas con una fuerza de 100 toneladas.

Esto suele estar bien: si el imán es perfectamente simétrico, las fuerzas están igualmente equilibradas y la fuerte estructura de soporte evita daños al delicado conductor. Pero ¿y si no lo hubieran sido?

Las estructuras de soporte tienen pequeños espacios de alineación para compensar la expansión y compresión del material cuando los imanes se enfrían y calientan. Ambrosio y su equipo vieron que los espacios de alineación se habían cerrado en la estructura de soporte de la bobina rota pero permanecían abiertos en las otras tres. ¿Podría eso haber condenado la bobina?

Un cable suelto. Un retraso inesperado. Una simetría rota. Ambrosio y su equipo habían reunido pruebas circunstanciales contra cada sospechoso. Pero eso no fue suficiente. Necesitaban una autopsia.

Unos meses después de la primera prueba fallida, llegó un paquete pequeño y pesado a la recepción de mercancías del CERN. Su contenido, envuelto en espuma, era un trozo de 20 kilogramos de la bobina averiada que había sido extraída del primer imán.

“El paciente está muerto”, dice Ambrosio. "Pero queremos aprender para el futuro".

Científicos de Estados Unidos analizaron datos de pruebas y realizaron simulaciones por computadora para determinar dónde pudo haber ocurrido el error fatal. Ahora había llegado el momento de ver si un pequeño equipo de físicos forenses podía confirmar o descartar las tres teorías principales sobre lo que había salido mal.

El primer paso fue enviar la bobina a un laboratorio en Alemania para una tomografía computarizada. Al igual que los médicos utilizan tomografías computarizadas para buscar vértebras desplazadas, el equipo utilizó tomografías computarizadas para investigar al sospechoso no. 1: el bobinado del cable.

"Se veía bien al nivel del cable, así que sabíamos que necesitábamos profundizar más", dice Mickael Crouvizier, técnico de materiales del CERN.

“Profundizar” les permitiría investigar a los sospechosos no. 2 y 3. Pero sería más complicado. Crouvizier y Moros, responsables del análisis forense, necesitarían cortar la bobina y extraer varias muestras. Golpes, rayones y cualquier otra imperfección imprevista que se introduzca durante esta fase podrían contaminar las muestras y comprometer toda la operación.

Crouvizier y Moros utilizaron un alambre tachonado de diamantes para cortar lentamente la bobina y dos días de pulido y preparación para que las muestras tuvieran un acabado de espejo.

"Es muy similar a la fabricación de relojes", afirma Crouvizier.

Luego vino el análisis. Según Moros, una de las partes más difíciles del trabajo fue diferenciar entre el daño que mató la bobina y el daño causado simplemente por preparar la muestra. Intentaron utilizar inteligencia artificial, pero fracasó. "Si tienes rayones, si tienes oxidación, la IA no puede reconocerlo", dice Crouvizier. "Es una pesadilla."

Rápidamente se dieron cuenta de que la única forma de obtener resultados precisos era realizar el análisis a la antigua usanza: inspeccionar visualmente cada micrómetro de las muestras. Crouvizier y Moros pasaron varios días encorvados ante un microscopio. “No es tanto el cuello lo que duele, sino la espalda”, dice Moros.

Después de semanas sin encontrar ninguna evidencia concluyente, Ambrosio tuvo una idea.

“Habíamos estado cortando [la bobina] como salami, perpendicular a los cables, y no encontramos nada”, dice Ambrosio. “¿Pero qué pasa si lo cortamos longitudinalmente, a lo largo de los cables?”

Los cortes de “salami” están optimizados para buscar grietas que se extienden a lo largo de los cables. Pero un daño más siniestro (un desgarro que parte un delicado filamento por la mitad) suele ser invisible para un corte de salami.

Debido a que los cortes longitudinales atraviesan la longitud del cable, pueden revelar desgarros muy pequeños. Pero los cortes longitudinales son muy complicados de hacer; Crouvizier y Moros tendrían que cortar con mucha precisión cables submilimétricos sin destruir las pruebas que buscaban.

Crouvizier y Moros decidieron intentarlo.

Después de unas semanas, Crouvizier vio algo extraño: un segmento de alambre en el que a cada uno de varios filamentos parecía faltarle un trozo.

"Cuando vi los primeros eventos, no estaba seguro de si era un artefacto del pulido o algo más", dice Crouvizier. "Fue solo después de que repetimos varias muestras y vimos lo mismo que supe que habíamos encontrado algo". .”

Sin duda, tendrían que repetir el análisis, volviendo a los recortes del “salami”. “Los cortes de salami tenían que estar cerca del punto de investigación, pero no tan cerca como para destruirlo”, dice Ambrosio.

Cuando miraron al microscopio, pudieron ver pequeños agujeros donde los cables se habían roto y se habían caído delicados filamentos de niobio y estaño. Cada punto de daño era cinco veces más pequeño que el ancho de un cabello humano. En total, encontraron cientos de desgarros en un segmento de cable de menos de 2 milímetros de largo.

¿Fueron las lágrimas el resultado del sospechoso no. 2, ¿el retraso en el proceso de fabricación de la bobina? O del sospechoso no. 3, ¿una simetría rota durante el montaje final del imán? La ubicación del daño fue todo lo que necesitaban para identificar al culpable. Todos los microdesgarros estaban cerca de la unión donde los cables giraban alrededor de la estructura de soporte. Según Ambrosio, esto es lo que las simulaciones por computadora predijeron que sucedería si la bobina se hubiera estirado demasiado debido a una asimetría.

“Fue la prueba irrefutable”, dice Ambrosio. “Era el sospechoso no. 3.”

Pero no hay sospecha. 2 no estaba libre de culpa. Ambrosio dice que cree que los plazos y procedimientos modificados podrían haber actuado como cómplice. “Debido a la COVID, la forma en que se ensambló este imán cambió”, dice. “No queríamos que las personas estuvieran cerca, así que las separamos más. Pero es mucho más difícil hacer algo simétrico cuando estás muy alejado”.

Afortunadamente, estos fueron los únicos dos imanes que fallaron en el proceso de prueba y los científicos pudieron aprender del incidente. “Los imanes posteriores tienen un cambio de diseño y un cambio de procedimiento para prevenir este problema”, dice Ambrosio.

Al primer imán también se le dio una segunda oportunidad. Debido a que un imán cuadrupolar consta de cuatro bobinas, y debido a que solo una de esas bobinas estaba incapacitada, los científicos pudieron realizar un trasplante y devolverle la vida al imán.

"Colocamos una bobina nueva, volvimos a probar el imán y funcionó muy bien", dice Ambrosio. “Ese es un paso importante, porque demuestra que no hay que tirarlo todo. Si vuelve a suceder, podemos reemplazar solo una bobina, no todas”.

El equipo estadounidense planea repetir el trasplante en el otro imán fallido.

Moros y Crouvizier dicen estar orgullosos de los resultados de la investigación. "Para mí, realmente siento que mi trabajo es útil", dice Moros. "Fue muy desafiante, pero realmente motivador".

Según Ambrosio, resolver este caso sólo fue posible gracias a la dedicación inquebrantable de Moros, Crouvizier y muchos otros colegas de laboratorios colaboradores de todo el mundo.

"El trabajo en equipo es la clave del éxito, incluso en una historia de detectives", afirma.

Ilustración de microscopio electrónico de barrido de una sección transversal después de un grabado profundo en cobre que revela algunos filamentos de Nb3Sn rotos

Vista cercana con microscopio electrónico de barrido de una rotura transversal en un filamento observada desde la superficie exterior

Vista detallada del microscopio electrónico de barrido de una superficie fracturada de un filamento de Nb3Sn. Granos gruesos (Nb3Sn) en el perímetro interior, granos finos (Nb3Sn) y porosidades en el centro y grano columnar en la barrera de Nb a la derecha.

Un ejemplo de eventos de grietas encontrados sobre uno de los cordones superiores en una sección transversal longitudinal