W Fermilab powstał najpotężniejszy magnes dla akceleratorów cząstek

Naukowcy z Fermilab poinformowali o wygenerowaniu najsilniejszego pola magnetycznego stworzonego na potrzeby akceleratorów cząstek. Nowy rekord wynosi 14,1 tesli, a wynik taki uzyskano w magnecie schłodzonym do 4,5 kelwinów, czyli -268,65 stopnia Celsjusza. Poprzedni rekord, 13,8 tesli, został osiągnięty przed 11 laty w Lawrence Berkeley National Laboratory.

Zwiększenie indukcji magnetycznej to znaczące osiągnięcie w fizyce cząstek. Silniejsze magnesy mogą posłużyć do zbudowania doskonalszych akceleratorów, które zastąpią w przyszłości Wielki Zderzacz Hadronów (LHC). Magnesy są wykorzystywane w akceleratorach do kontrolowania poruszających się cząstek. Im są silniejsze, tym łatwiej kontrolować cząstki poruszające się niemal z prędkością światła.

Przez kilkanaście lat pracowaliśmy nad przekroczeniem granicy 14 tesli, więc to ważne osiągnięcie. W pierwszym teście uzyskaliśmy 14,1 tesli na demonstracyjnym magnesie, dla którego teoretyczna granica wynosi 15 tesli. Pracujemy nad wyciśnięciem z niego jeszcze więcej, mówi Alexander Zlobin, który stoi na czele grupy badawczej.

Przyszłość zderzaczy hadronów zależy od dostępności silnych magnesów, dlatego fizycy na całym świecie są zainteresowani pracami mającymi na celu stworzenie niobowo-cynowych magnesów o indukcji 15 tesli.

Sercem takiego urządzenia jest nadprzewodzący stop niobu z cyną. Prąd przepuszczany przez magnes powoduje pojawienie się pola magnetycznego. Jako, że materiał schłodzony jest do bardzo niskich temperatur, prąd nie napotyka oporu, nie dochodzi do generowania energii cieplnej. Całe energia elektryczna przyczynia się do wygenerowania pola magnetycznego.

Indukcja zależy zaś od maksymalnego napięcia prądu, jakie może znieść dany materiał. Niobowo-tytanowe magnesy Wielkiego Zderzacza Hadronów nie są w stanie pracować z napięciem, które pozwalałoby na osiągnięcie 15 tesli. Można to uzyskać magnesach niobowo-cynowych, problem jednak w tym, że są one kruche i mogą się rozsypać pod wpływem działających na nie olbrzymich sił.

Zespół z Fermilab stworzył taką architekturę magnesu, która go wzmacnia i pozwala przetrzymać ściskające i rozciągające go siły. Dziesiątki przewodów o okrągłym przekroju zostało skręconych w odpowiedni sposób, by uzyskane przewody spełniały specyficzne wymagania elektryczne i mechaniczne. Po utworzeniu z kabli zwojów całość była podgrzewana przez dwa tygodnie w temperaturach sięgających niemal 650 stopni Celsjusza, co nadało materiałowi właściwości nadprzewodzące. Następnie zwoje zostały zamknięte w żelaznych obejmach zamkniętych aluminiowymi klamrami, na co nałożono powłokę ochronną z nierdzewnej stali, która ma ochronić zwoje przed ich deformacją.

To olbrzymie osiągnięcie, kluczowe dla rozwoju kolejnych generacji kołowych akceleratorów cząstek, mówi Soren Prestemon, naukowiec z Berkeley Lab i dyrektor U.S. Magnet Development Program, w skład którego wchodzi zespół z Fermilab. To wyjątkowy krok milowy na drodze ku opracowaniu magnesów. Osiągnięcie zostało z entuzjazmem przyjęte przez badaczy, którzy będą w przyszłości wykorzystywali akceleratory nowej generacji.

Naukowcy z Fermilab zapowiadają, że w ciągu najbliższych miesięcy wzmocnią swój magnes pod względem mechanicznym i jesienią poddadzą go kolejnemu testowi, w czasie którego spróbują uzyskać 15 tesli. Ma być to wstępem do stworzenia jeszcze potężniejszych magnesów. W oparciu o ten projekt i o to, czego się nauczyliśmy, mamy zamiar udoskonalić magnesy niobowo-cynowe i w przyszłości osiągnąć 17 tesli, mówi Ziobin. Naukowiec nie wyklucza, że w przyszłości, wykorzystując nowe nadprzewodniki, jego zespół dojdzie do 20 tesli.

Maksymalna indukcja pola magnetycznego magnesów LHC wynosi 8,34 tesli, czyli jest blisko górnej granicy 10 tesli dla magnesów niobowo-tytanowych. Z kolei w ubiegłym roku CERN informował o uzyskaniu dzięki magnesowi FRESCA2 14,6 tesli. FRESCA2 jest to magnes, który służy do testowania nadprzewodników, a nie do pracy wewnątrz akceleratora cząstek.

Fermilab magnes niobowo-cynowy Wielki Zderzacz Hadronów LHC akcelerator cząstek