Группа исследователей сразу из нескольких американских научных институтов представила разработку сверхпроводящего магнита для перспективного коллайдера. Созданная ими установка генерирует дипольное поле большой напряженностью 14,1 тесла при температуре охлаждения 4,5 кельвина. Этот показатель близок к целевому значению в 16 тесла, запланированному для будущего ускорителя частиц с энергией столкновения около 100 тераэлектронвольт (в сравнении с 13 тераэлектронвольт Большого адронного коллайдера), как сообщается в CERN Courier. Коллайдеры относятся к типу ускорителей, предназначенных для столкновения разогнанных частиц. Наиболее мощным существующим коллайдером является Большой адронный коллайдер (БАК), способный достигать энергии соударения встречных пучков протонов на уровне 13 тераэлектронвольт. При проектировании БАК одной из главных теоретических концепций в физике высоких энергий была суперсимметрия.
Эта концепция предполагает, что у всех известных частиц существуют суперпартнеры, обладающие противоположными свойствами. Например, входящим в твердо установленную Стандартную модель кваркам соответствуют скварки. Причем, если кварки относятся к классу фермионов (полуцелый спин), то скварки являются бозонами (обладают целым спином).
В случае идеальной точной суперсимметрии частицы и их суперпартнеры должны быть похожи, например, массой. Однако эта симметрия может быть нарушена, что приводит к отличию параметров. Предполагалось, что массы суперпартнеров могут находиться в доступном на БАК диапазоне в сотни гигаэлектронвольт. В таком случае они бы рождались в столкновениях, о чем можно было бы судить по данным детекторов.
Гипотеза суперсимметрии в теории решала ряд острых проблем, таких как иерархия масс и значения бегущих констант связи. Также существовала надежда, что открытие подобных частиц поможет продвинуться в понимании темной материи, так как одно из популярных объяснений предполагало существование слабовзаимодействующих массивных частиц (вимпов), а некоторые суперпартнеры подходили на эту роль. Тем не менее, никаких подобных частиц на БАК открыть не удалось, а гипотеза вимпов также сегодня считается значительно менее вероятной, чем 20 лет назад.
В связи с этим прорабатывается проект намного более крупного коллайдера, который носит название Future Circular Collider (FCC) — Будущий циклический коллайдер. Длина его кольца должна составить уже около 100 километров против 26,7 у БАК. Энергия соударений при этом должна возрасти примерно в 10 раз до 100 тераэлектронвольт. Для этого необходима разработка множества новых технологий, в том числе новых источников магнитного поля, которые позволяет частицам двигаться по изогнутому тоннелю.
Магнитное поле создается в БАК 1232 дипольными магнитами — охлажденными до 1,9 кельвин катушками из сверхпроводника, по которым течет ток в 12 килоампер, что позволяет генерировать поле с индукцией в 8,3 тесла. Для работы FCC предполагается разработка источников поля индукцией в 16 тесла, но пока устойчивой генерации достичь не удалось.
Объединенный коллектив американских физиков из Фермилаба, Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, Национальной лаборатории высоких магнитных полей и Брукхейвенской национальной лаборатории представили собственную разработку — сверхпроводящий магнит MDPCT1 на основе станнида триниобия Nb3Sn, создающий поле в 14,1 тесла при 4,5 кельвинах. Для данной температуры это рекордное значение, хотя созданный учеными из ЦЕРН магнит FRESCA 2 генерирует 14,6 при 1,9 кельвинах, но 13,9 при 4,5.
В новом магните используется станнид триниобия вместо более дешевого применяемого в существующих магнитах БАК сплава ниобий-титана Nb-Ti. Это связано с тем, что Nb3Sn выдерживает критическое поле до 30 тесла с сохранением сверхпроводимости, в то время как Nb-Ti выход происходит при 15 тесла. Также в проводах из Nb3Sn может протекать критической ток плотностью до 1500 ампер на квадратный миллиметр при 16 тесла и 4,2 кельвинах, что примерно на 50 процентов больше, чем у современных.
Ученым пока не удалось достигнуть целевого показателя в 16 тесла, но физики отмечают, что это и другие недавно реализованные технологии вселяют уверенность, что заложенные в проект будущего коллайдера параметры реалистичны. Исследователи считают, что при оптимизации текущей установки можно добиться генерации 15 тесла. Всего для FCC понадобится создание 5000 дипольных магнитов.
Разработка сверхпроводящих магнитов для БАК в прошлом привела к продвижениям не только в физике высоких энергий, но и в других областях. В частности, это сильно удешевило промышленное производство подобных устройств и послужило основой широкого распространения магнитной томографии, в которой используются подобные магниты. Новые технологии также могут привести к улучшению медицинского оборудования.
Ранее в ЦЕРН испытали сильнейшие сверхпроводящие магниты. Также физики решили модифицировать систему охлаждения Большого адронного коллайдера для обогрева окружающих домов излишками тепла. Полноценный доклад о Будущем циклическом коллайдере был опубликован в начале этого года.
Автор: Тимур Кешелева
Источник: https://nplus1.ru/
