Коллаборация из
нескольких американских научных институтов продемонстрировала собственную
разработку в области сверхпроводящих магнитов для будущего коллайдера. Дипольное
поле новой установки достигает 14,1 тесла при рабочей температуре в 4,5
кельвин. Это значение почти равно целевому показателю в 16 тесла, заложенному
в концепцию будущего ускорителя частиц с энергией столкновения около 100
тераэлектронвольт против 13 у Большого адронного коллайдера, пишет CERN Courier.

Коллайдеры — это
разновидность ускорителей частиц, которые сталкивают разогнанные объекты.
Наиболее мощной установкой подобного типа является Большой адронный коллайдер (БАК), который способен достигать энергии соударения встречных пучков протонов
на уровне в 13 тераэлектронвольт.

Когда строился БАК, одной
из ведущих теоретических идей 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.

Тимур Кешелева