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 у 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.