Per costruire la prossima generazione di potenti acceleratori di protoni, gli scienziati hanno bisogno dei magneti più potenti possibili per guidare le particelle vicino alla velocità della luce attorno a un anello. Per una data misura dell'anello, maggiore è l'energia del raggio, più potenti devono essere i magneti dell'acceleratore per mantenere il raggio in rotta.

Gli scienziati del Fermilab del Dipartimento dell'Energia hanno annunciato di aver raggiunto la più alta intensità di campo magnetico mai registrata per un magnete di guida dell'acceleratore, stabilendo un record mondiale di 14,1 tesla, con il magnete raffreddato a 4,5 kelvin o meno 450 gradi Fahrenheit. Il precedente record di 13,8 tesla, raggiunto alla stessa temperatura, è stato tenuto per 11 anni dal Lawrence Berkeley National Laboratory.

È un magnete più di mille volte più forte del magnete del frigorifero che tiene la lista della spesa sul frigorifero.

Il risultato è una pietra miliare notevole per la comunità della fisica delle particelle, che sta studiando i progetti per un futuro collisore che potrebbe fungere da potenziale successore del potente Large Hadron Collider di 27 miglia intorno che opera al laboratorio del CERN dal 2009. Una macchina del genere avrebbe bisogno di accelerare i protoni a energie diverse volte superiori a quelle del LHC.

E questo richiede magneti di guida più forti di quelli dell'LHC, circa 15 tesla.

"Abbiamo lavorato per rompere il muro di 14 Tesla per diversi anni, quindi arrivare a questo punto è un passo importante, " ha detto lo scienziato del Fermilab Alexander Zlobin, che guida il progetto al Fermilab. "Siamo arrivati ​​a 14,1 tesla con il nostro magnete dimostratore da 15 tesla nel suo primo test. Ora stiamo lavorando per ricavarne un altro tesla".

Il successo di un futuro collisore di adroni ad alta energia dipende in modo cruciale da magneti ad alto campo praticabili, e la comunità internazionale della fisica delle alte energie sta incoraggiando la ricerca verso il magnete niobio-stagno da 15 tesla.

Al centro del design del magnete c'è un materiale superconduttore avanzato chiamato niobio-stagno.

La corrente elettrica che lo attraversa genera un campo magnetico. Poiché la corrente non incontra alcuna resistenza quando il materiale viene raffreddato a una temperatura molto bassa, non perde energia e non genera calore. Tutta la corrente contribuisce alla creazione del campo magnetico. In altre parole, ottieni un sacco di colpi magnetici per il dollaro elettrico.

L'intensità del campo magnetico dipende dall'intensità della corrente che il materiale può sopportare. A differenza del niobio-titanio utilizzato negli attuali magneti LHC, niobio-stagno può supportare la quantità di corrente necessaria per creare campi magnetici di 15 tesla. Ma il niobio-stagno è fragile e suscettibile di rompersi quando è soggetto alle enormi forze che agiscono all'interno di un magnete acceleratore.

Quindi il team del Fermilab ha sviluppato un design del magnete che avrebbe sostenuto la bobina contro ogni stress e sforzo che poteva incontrare durante il funzionamento. Diverse dozzine di fili rotondi sono stati intrecciati in cavi in ​​un certo modo, consentendogli di soddisfare le specifiche elettriche e meccaniche richieste. Questi cavi sono stati avvolti in bobine e trattati termicamente ad alte temperature per circa due settimane, con una temperatura massima di circa 1, 200 gradi Fahrenheit, per convertire i fili di niobio-stagno in superconduttori a temperature di esercizio. Il team ha racchiuso diverse bobine in una forte struttura innovativa composta da un giogo di ferro con morsetti in alluminio e una pelle in acciaio inossidabile per stabilizzare le bobine contro le enormi forze elettromagnetiche che possono deformare le bobine fragili, degradando così i fili di niobio-stagno.

Il gruppo Fermilab ha preso in considerazione ogni caratteristica nota del design, e ha pagato.

Questo è un risultato straordinario in una tecnologia abilitante chiave per i collisori circolari oltre l'LHC, " disse Soren Prestemon, uno scienziato senior al Berkeley Lab e direttore del programma multilaboratorio per lo sviluppo dei magneti degli Stati Uniti, che comprende il team del Fermilab. "Questa è una pietra miliare eccezionale per la comunità internazionale che sviluppa questi magneti, e il risultato è stato accolto con entusiasmo dai ricercatori che utilizzeranno i raggi di un futuro collisore per spingere in avanti le frontiere della fisica delle alte energie".

E il team del Fermilab è pronto per lasciare il segno nel territorio dei 15 tesla.

"Ci sono tante variabili da considerare nella progettazione di un magnete come questo:i parametri di campo, fili e cavi superconduttori, struttura meccanica e le sue prestazioni durante il montaggio e il funzionamento, tecnologia dei magneti, e protezione del magnete durante il funzionamento, " Zlobin ha detto. "Tutti questi problemi sono ancora più importanti per i magneti con parametri record".

Nei prossimi mesi, il gruppo prevede di rinforzare il supporto meccanico della bobina e quindi testare nuovamente il magnete questo autunno. Si aspettano di raggiungere l'obiettivo di progettazione di 15 tesla.

E puntano ancora più in alto per il futuro.

"Sulla base del successo di questo progetto e delle lezioni che abbiamo appreso, stiamo progettando di portare avanti il ​​campo dei magneti al niobio-stagno per i futuri collisori a 17 tesla, " ha detto Zlobin.

Non si ferma qui. Zlobin afferma che potrebbero essere in grado di progettare magneti di guida che raggiungono un campo di 20 tesla utilizzando inserti speciali realizzati con nuovi materiali superconduttori avanzati.

Chiamalo un field goal.

Il progetto è sostenuto dal Dipartimento di Energia Office of Science. È una parte fondamentale del programma di sviluppo dei magneti degli Stati Uniti, che comprende Fermilab, Laboratorio nazionale di Brookhaven, Lawrence Berkeley National Laboratory e il National High Magnetic Field Laboratory.