Para construir la próxima generación de potentes aceleradores de protones, los científicos necesitan los imanes más fuertes posibles para dirigir partículas a una velocidad cercana a la de la luz alrededor de un anillo. Para un tamaño de anillo determinado, cuanto mayor sea la energía del rayo, más fuertes deben ser los imanes del acelerador para mantener el rumbo del rayo.

Los científicos del Fermilab del Departamento de Energía han anunciado que lograron la fuerza de campo magnético más alta jamás registrada para un imán de dirección de acelerador. estableciendo un récord mundial de 14,1 teslas, con el imán enfriado a 4.5 kelvins o menos 450 grados Fahrenheit. El récord anterior de 13,8 teslas, alcanzado a la misma temperatura, se llevó a cabo durante 11 años por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

Eso es un imán más de mil veces más fuerte que el imán del refrigerador que lleva su lista de compras a su refrigerador.

El logro es un hito notable para la comunidad de física de partículas, que está estudiando diseños para un futuro colisionador que podría servir como sucesor potencial del poderoso Gran Colisionador de Hadrones de 17 millas alrededor que opera en el laboratorio del CERN desde 2009. Tal máquina necesitaría acelerar protones a energías varias veces más altas que las del LHC.

Y eso requiere imanes de dirección que sean más fuertes que los del LHC, unas 15 teslas.

"Hemos estado trabajando para romper el muro de 14 teslas durante varios años, por lo que llegar a este punto es un paso importante, "dijo el científico del Fermilab Alexander Zlobin, quien lidera el proyecto en Fermilab. "Llegamos a 14,1 teslas con nuestro imán demostrador de 15 teslas en su primera prueba. Ahora estamos trabajando para extraer un tesla más".

El éxito de un futuro colisionador de hadrones de alta energía depende de manera crucial de imanes viables de alto campo, y la comunidad internacional de física de alta energía está fomentando la investigación sobre el imán de niobio y estaño de 15 teslas.

En el corazón del diseño del imán se encuentra un material superconductor avanzado llamado niobio-estaño.

La corriente eléctrica que lo atraviesa genera un campo magnético. Debido a que la corriente no encuentra resistencia cuando el material se enfría a una temperatura muy baja, no pierde energía y no genera calor. Toda la corriente contribuye a la creación del campo magnético. En otras palabras, obtienes mucho impacto magnético por el dinero eléctrico.

La fuerza del campo magnético depende de la fuerza de la corriente que el material puede manejar. A diferencia del niobio-titanio utilizado en los imanes actuales del LHC, El niobio-estaño puede soportar la cantidad de corriente necesaria para crear campos magnéticos de 15 tesla. Pero el niobio-estaño es frágil y susceptible de romperse cuando se somete a las enormes fuerzas que actúan dentro de un imán acelerador.

Por lo tanto, el equipo de Fermilab desarrolló un diseño de imán que apuntalaría la bobina contra todos los esfuerzos y tensiones que pudiera encontrar durante la operación. Varias docenas de alambres redondos se retorcieron en cables de cierta manera, permitiéndole cumplir con las especificaciones eléctricas y mecánicas requeridas. Estos cables se enrollaron en bobinas y se trataron térmicamente a altas temperaturas durante aproximadamente dos semanas. con una temperatura máxima de aproximadamente 1, 200 grados Fahrenheit, para convertir los cables de niobio-estaño en superconductores a temperaturas de funcionamiento. El equipo encerró varias bobinas en una estructura fuerte e innovadora compuesta por un yugo de hierro con abrazaderas de aluminio y una piel de acero inoxidable para estabilizar las bobinas contra las enormes fuerzas electromagnéticas que pueden deformar las bobinas quebradizas. degradando así los alambres de niobio-estaño.

El grupo Fermilab tuvo en cuenta todas las características de diseño conocidas, y valió la pena.

Este es un gran logro en una tecnología habilitadora clave para colisionadores circulares más allá del LHC, "dijo Soren Prestemon, un científico senior en Berkeley Lab y director del Programa de Desarrollo de Magnet de múltiples laboratorios de EE. UU., que incluye al equipo de Fermilab. "Este es un hito excepcional para la comunidad internacional que desarrolla estos imanes, y el resultado ha sido recibido con entusiasmo por los investigadores que utilizarán los rayos de un futuro colisionador para impulsar las fronteras de la física de altas energías ".

Y el equipo de Fermilab está preparado para dejar su huella en el territorio de 15 teslas.

"Hay tantas variables a considerar al diseñar un imán como este:los parámetros de campo, alambre y cable superconductores, estructura mecánica y su rendimiento durante el montaje y la operación, tecnología de imanes, y protección magnética durante el funcionamiento, ", Dijo Zlobin." Todos estos problemas son aún más importantes para los imanes con parámetros récord ".

Durante los próximos meses, el grupo planea reforzar el soporte mecánico de la bobina y luego volver a probar el imán este otoño. Esperan lograr el objetivo de diseño de 15 tesla.

Y están poniendo sus miras aún más altas para el futuro.

"Basado en el éxito de este proyecto y las lecciones que aprendimos, estamos planeando avanzar en el campo de los imanes de niobio y estaño para futuros colisionadores a 17 teslas, "Dijo Zlobin.

No se detiene ahí. Zlobin dice que pueden diseñar imanes de dirección que alcancen un campo de 20 teslas utilizando insertos especiales hechos de nuevos materiales superconductores avanzados.

Llámalo gol de campo.

El proyecto cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía. Es una parte clave del Programa de Desarrollo Magnet de EE. UU., que incluye Fermilab, Laboratorio Nacional Brookhaven, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético.