Создано рекордное магнитное поле для ускорителей будущего

Физики сгенерировали поле, рекордное для управляющего магнита ускорителя.

Фото Thomas Strauss.

Учёные из Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми (США) поставили рекорд по напряжённости магнитного поля, управляющего движением частиц в ускорителе. Достижение должно помочь построить коллайдер, превосходящий БАК, и, быть может, вырваться на просторы новой физики.

Напомним, что в подобных устройствах частицы делают много оборотов в кольце ускорителя, с каждым проходом приобретая всё большую скорость. Но частица, предоставленная сама себе, будет лететь прямолинейно, пока не врежется в стену туннеля. Чтобы заставить её повернуть, нужна действующая на неё сила. И эта сила действует со стороны магнитного поля управляющих магнитов.

Физики стремятся разогнать частицы как можно сильнее, ведь при столкновениях частиц с большой энергией могут возникнуть явления, которые раньше не наблюдались. Например, знаменитое открытие бозона Хиггса стало возможным только потому, что Большой адронный коллайдер сообщает протонам рекордную энергию.

Но чем быстрее летят частицы, тем мощнее должно быть управляющее поле, чтобы они его "слушались". Магниты, работающие на БАК, не подойдут для ещё более масштабного ускорителя, который физики надеются когда-нибудь построить. Поэтому учёные занимаются разработкой более сильных магнитов.

При слове "магнит" большинство из нас вспомнит о постоянных магнитах вроде тех, которые мы привозим из путешествий, чтобы прикрепить к холодильнику. Вокруг таких объектов постоянно присутствует магнитное поле, поэтому эти магниты и называются постоянными. Но все подобные тела создают слишком слабые поля, чтобы использовать их на ускорителях.

Поэтому на коллайдерах применяются электромагниты. По сути это просто катушки провода. Когда по проводнику течёт ток, он создаёт магнитное поле.

Но в обычной проволоке лишь часть энергии тока идёт на генерацию поля. Вся остальная мощность превращается в теплоту из-за электрического сопротивления вещества. Поэтому нельзя генерировать всё более сильное поле, просто повышая силу тока. Провод расплавится, прежде чем напряжённость поля достигнет величины, которая нужна на современных ускорителях.

Физики выходят из положения, используя сверхпроводящую проволоку. Электрическое сопротивление сверхпроводника строго равно нулю, поэтому при протекании тока не выделяется тепло. Тем самым вся энергия тока переходит в энергию магнитного поля. Это позволяет создать очень сильные поля.

Однако сверхпроводимость – капризное состояние. Практически всегда оно достигается лишь при очень низкой температуре (а когда этого не требуется, возникают другие почти невыполнимые условия). Например, чистое олово становится сверхпроводником примерно при -269,4 °C, чистый титан – при -272,8 °C. Создавать и поддерживать такие температуры очень трудно.

К тому же у каждого сверхпроводника есть максимальное значение магнитного поля, которое можно создать с его помощью. При превышении этого предела само поле разрушает сверхпроводящее состояние. Нужно учитывать и другие характеристики материала, например, его прочность и гибкость.

Проволока в управляющих магнитах БАК изготовлена из соединения ниобия и титана. Но поле, достигнутое на этом ускорителе, практически является пределом для этого материала. Управляющие магниты более мощных коллайдеров нужно делать из чего-то другого.

Физики из лаборатории имени Ферми применили соединение ниобия и олова (кратко обозначаемое попросту "ниобий-олово"). Теоретически с его помощью можно получить магнитную индукцию до 15 тесла (недостижимая величина для оборудования БАК).

Изготовив из этого вещества прототип управляющего магнита, физики получили магнитное поле в 14,1 тесла. Предыдущий рекорд составлял 13,8 тесла и был поставлен в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (США) 11 лет назад.

Для сравнения: сувенирный магнит на холодильнике создаёт поле порядка сотой доли тесла, а магниты в аппарате для МРТ – примерно трёх тесла. Человечество умеет создавать поля и в несколько тысяч тесла, но лишь на чрезвычайно короткое время.

"Мы работаем над преодолением барьера в 14 Тесла уже несколько лет, поэтому достижение этой отметки является важным шагом", – отмечает руководитель проекта Александр Злобин (Alexander Zlobin).

К слову, ниобий-олово переходит в сверхпроводящее состояние при -268,65 °C, что чуть выше температуры кипения жидкого гелия при нормальном давлении. Поэтому последний можно использовать как хладагент, точно так же, как это делается с действующими магнитами БАК. Это дорогая, но уже отработанная технология.

Однако ниобий-олово имеет существенный недостаток по сравнению с ниобием-титаном. Это хрупкое вещество. Поэтому, перефразируя известного киногероя, нельзя просто взять и сделать из него управляющие магниты так же, как они делались для БАК. Материал разрушится под действием механического напряжения, возникающего при работе коллайдера.

"При проектировании магнита нужно учитывать так много переменных: параметры поля, сверхпроводящей проволоки и кабеля, механическую структуру и её характеристики при сборке и эксплуатации, технологию [функционирования] магнита и [способы] защиты магнита во время работы, – поясняет Злобин. – Все эти проблемы ещё важнее для магнитов с рекордными параметрами".

Разработчики создали новое техническое решение. Из ниобий-оловянной проволоки были скручены кабели по нескольку десятков жил, причём вид скрутки был специально подобран. Кабели наматывались на катушку. Катушки в течение нескольких недель подвергались термообработке с пиковой температурой около 650 °C (именно такое "прогревание" изменило структуру материала так, чтобы при охлаждении он превращался в сверхпроводник). Затем обожжённые катушки были снабжены железным ярмом (деталь электромагнита) с алюминиевыми зажимами. Вся конструкция была заключена в кожух из нержавеющей стали.

В таком виде, по мысли разработчиков, магнит уже можно ставить на коллайдер. Но физики не намерены останавливаться на достигнутом. Они собираются довести магнитную индукцию до теоретического предела в 15 тесла, после чего сменить материал и добиться 17 и даже 20 тесла.

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о том, как физики научились включать и выключать магнитное поле графена.