У США показали прототип магніту для колайдера майбутнього

Колаборація з кількох американських наукових інститутів продемонструвала власну розробку в галузі надпровідних магнітів для майбутнього колайдера. Дипольне поле нової установки досягає 14,1 тесла при робочій температурі в 4,5 кельвін. Це значення майже дорівнює цільовому показнику в 16 тесла, закладеному в концепцію майбутнього прискорювача частинок з енергією зіткнення близько 100 тераелектронвольт проти 13 у Великого адронного колайдера, пише.

Колайдери - це різновид прискорювачів частинок, які стикають розігнані об'єкти. Найбільш потужною установкою подібного типу є Великий адронний колайдер (БАК), який здатний досягати енергії ударіння зустрічних пучків протонів на рівні в 13 тераелектронвольт.

Коли будувався БАК, однією з провідних теоретичних ідей у фізиці високих енергій була суперсиметрія. Ця концепція передбачає, що у всіх відомих частинок існують суперпартнери, що мають протилежні властивості. Наприклад, що входять у твердо встановлену Стандартну модель кваркам відповідають скварки. Причому, якщо кварки відносяться до класу ферміонів (напівцілий спин), то скварки є бозонами (володіють цілим спином).

У разі ідеальної точної суперсиметрії частинки та їх суперпартнери повинні бути схожі, наприклад, масою. Однак ця симетрія може бути порушена, що призводить до відмінності параметрів. Передбачалося, що маси суперпартнерів можуть перебувати в доступному на БАК діапазоні в сотні гігаелектронвольт. У такому випадку вони б народжувалися в зіткненнях, про що можна було б судити за даними детекторів.

Гіпотеза суперсиметрії в теорії вирішувала ряд гострих проблем, таких як ієрархія мас і значення тікаючих констант зв'язку. Також існувала надія, що відкриття подібних частинок допоможе просунутися в розумінні темної матерії, так як одне з популярних пояснень передбачало існування слабозабезпечуючих масивних частинок (вімпів), а деякі суперпартнери підходили на цю роль. Тим не менш, ніяких подібних частинок на БАК відкрити не вдалося, а гіпотеза вімпів також сьогодні вважається значно менш імовірною, ніж 20 років тому.

У зв'язку з цим опрацьовується проект набагато більшого колайдера, який носить назву Future Circular Collider (FCC) - Майбутній циклічний колайдер. Довжина його кільця повинна скласти вже близько 100 кілометрів проти 26,7 у БАК. Енергія ударів при цьому повинна зрости приблизно в 10 разів до 100 тераелектронвольт. Для цього необхідна розробка безлічі нових технологій, у тому числі нових джерел магнітного поля, які дозволяє частинкам рухатися по вигнутому тунелю.

Магнітне поле створюється в БАК 1232 дипольними магнітами - охолодженими до 1,9 кельвін котушками з надпровідника, по яких тече струм в 12 кілоампер, що дозволяє генерувати поле з індукцією в 8,3 тесла. Для роботи FCC передбачається розробка джерел поля індукцією в 16 тесла, але поки стійкої генерації досягти не вдалося.

Об'єднаний колектив американських фізиків з Фермілаба, Національної лабораторії Лоуренса в Берклі, Національної лабораторії високих магнітних полів і Брукхейвенської національної лабораторії представили власну розробку - надпровідний магніт MDPCT1 на основі станнида триніобію Nb₃Sn, що створює поле в 14,1 тесла при 4,5 кельвінах. Для даної температури це рекордне значення, хоча створений вченими з ЦЕРН магніт FRESCA 2 генерує 14,6 при 1,9 кельвінах, але 13,9 при 4,5.

У новому магніті використовується станнид триніобію замість більш дешевого застосовуваного в існуючих магнітах БАК сплаву ніобій-титану Nb-Ti. Це пов'язано з тим, що Nb₃Sn витримує критичне поле до 30 тесла зі збереженням надпровідності, в той час як у Nb-Ti вихід відбувається при 15 тесла. Також у проводах з Nb₃Sn може протікати критичний струм щільністю до 1500 ампер на квадратний міліметр при 16 тесла і 4,2 кельвінах, що приблизно на 50 відсотків більше, ніж у сучасних.

Вченим поки не вдалося досягти цільового показника в 16 тесла, але фізики відзначають, що це та інші нещодавно реалізовані технології вселяють впевненість, що закладені в проект майбутнього колайдера параметри реалістичні. Дослідники вважають, що при оптимізації поточної установки можна досягти генерації 15 тесла. Всього для FCC знадобиться створення 5000 дипольних магнітів.

Розробка надпровідних магнітів для БАК в минулому призвела до просувань не тільки у фізиці високих енергій, але і в інших областях. Зокрема, це сильно здешевило промислове виробництво подібних пристроїв і послужило основою широкого поширення магнітної томографії, в якій використовуються подібні магніти. Нові технології також можуть призвести до поліпшення медичного обладнання.

Раніше в ЦЕРН випробували найсильніші надпровідні магніти. Також фізики вирішили модифікувати систему охолодження Великого адронного колайдера для обігріву навколишніх будинків надлишками тепла. Повноцінну доповідь про Майбутнє циклічне коллайдере було опубліковано на початку цього року.