«Создание прототипа этого магнита было поистине международным усилием», – говорит Лючио Росси, руководитель проекта LHC High-Luminosity (HighLumi) в ЦЕРН. «Половина магнитных катушек внутри прототипа была произведена в ЦЕРНе, а половина – в лабораториях США."
Во время первоначального строительства Большого адронного коллайдера национальные лаборатории Министерства энергетики США предвидели будущую потребность в более сильных магнитах LHC и создали Программу исследований ускорителей LHC (LARP): программу исследований и разработок, направленную на разработку новой технологии ускорителей для будущих модернизаций LHC.
Это 1.Модель длиной 5 метров, представляющая собой полностью функционирующий магнит ускорителя, была разработана учеными и инженерами Фермилаб, Брукхейвенской национальной лаборатории, Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и ЦЕРН. Магнит недавно прошел интенсивную программу испытаний в Фермилабе, которую он успешно прошел в марте.
Теперь он пройдет серию строгих испытаний на выносливость и нагрузку, чтобы смоделировать тяжелые условия внутри ускорителя элементарных частиц.
Этот новый тип магнита заменит около 5 процентов фокусирующих и управляющих магнитов LHC, когда ускоритель будет преобразован в LHC с высокой яркостью, запланированное обновление, которое увеличит количество и плотность протонов, упакованных внутри ускорителя. Обновление HL-LHC позволит ученым собирать данные гораздо быстрее.
Магниты LHC создаются путем многократной намотки сверхпроводящего кабеля в длинные катушки. Эти змеевики затем устанавливаются со всех сторон балочной трубы и помещаются в криогенную систему со сверхтекучим гелием. При охлаждении до 1.9 Кельвина, катушки могут проводить огромное количество электрического тока с нулевым электрическим сопротивлением. Регулируя величину тока, протекающего через катушки, инженеры могут управлять силой и качеством результирующего магнитного поля и управлять частицами внутри ускорителя.
Магниты, которые в настоящее время находятся внутри LHC, сделаны из ниобий-титана, сверхпроводника, который может работать в магнитном поле до 10 тесла, прежде чем потерять свои сверхпроводящие свойства. Этот новый магнит сделан из олова ниобий-три (Nb3Sn), сверхпроводника, способного пропускать ток через магнитное поле до 20 тесла.
«Мы имеем дело с новой технологией, которая может значительно превзойти то, что было возможно при первом создании LHC», – говорит Джорджио Аполлинари, ученый Fermilab и директор LARP в США. «Эта новая магнитная технология сделает возможным проект HL-LHC и позволит физикам задуматься о будущих приложениях этой технологии в области ускорителей."
Эта технология мощная и универсальная – как переход от мопеда к мотоциклу.
Но этот новый суперматериал не лишен недостатков.
«С оловом с ниобием-3 гораздо сложнее работать, чем с ниобием с титаном», – говорит Питер Уондерер, руководитель отдела сверхпроводящих магнитов в Национальной лаборатории Брукхейвена. "Он не становится сверхпроводником, пока не подвергнется запеканию при температуре 650 градусов Цельсия. Эта термообработка изменяет атомную структуру материала, и он становится почти таким же хрупким, как керамика."
Смастерить магнит размером с лося из более хрупкого материала, чем чашка чая, – задача не из легких.
Ученые и инженеры из национальных лабораторий США потратили 10 лет на разработку и совершенствование нового и воспроизводимого на международном уровне процесса наматывания, формования, запекания и стабилизации катушек.
«Сотрудничество LARP-CERN тесно связано со всеми аспектами проектирования, изготовления и тестирования магнитов», – говорит Сорен Престемон из Центра магнитных технологий Беркли в лаборатории Беркли. "Успех является свидетельством безупречного характера сотрудничества, уровня знаний участвующих команд и ответственности, продемонстрированной участвующими лабораториями."
Эта модель имеет огромный успех для инженеров и ученых. Но это только первый шаг к созданию следующего большого суперколлайдера.
«Этот тест показал, что это возможно», – говорит Аполлинари. «Следующий шаг – применить все, что мы узнали, переходя от этого прототипа, к все большим и большим магнитам."