為世界上最大的粒子對撞機設計磁體
2020-12-03 電子發燒友在位於瑞士的大型強子對撞機（LHC）中，人造磁場——磁場強度大約是地球磁場的20萬倍——以接近光速的速度將粒子加速，讓兩束粒子相互撞擊。利用這個世界著名的粒子加速器進行的實驗提供了支持標準模型（一個描述宇宙中粒子的行為和相互作用的理論）的關鍵數據。但是，物理學家們很想知道這個模型是否適用於能量更高的粒子。
還必須進行更多的實驗來擴展標準模型，以回答諸如為什麼宇宙裡的物質比反物質多、暗物質到底是什麼、中微子為什麼具有質量等問題。LHC背後的研究機構CERN希望利用其提出的下一代設施——未來環形對撞機（Future Circular Collider，FCC）——來探索這些謎團。
1月15日，CERN發布了關於FCC的第一份報告，概述了FCC可能的設計，有130多家機構為該報告的完成做出了貢獻。該設施估計建設成本在90億歐元到210億歐元之間，部分設施可能會在2040年開放。
如果能夠建成，FCC將產生幾乎是LHC兩倍強的磁場，並將粒子加速到前所未有的100TeV的超高能量，而LHC的能量只有13TeV。鑑於LHC的磁體系統能實現8.3特斯拉的磁場強度，FCC系統將能實現16T的磁場強度。
現在，對於那些從事FCC設計工作的人來說，問題是：科學家們接下來必須要完成怎樣的技術壯舉才能產生出如此強大的磁場？
FCC將需要4500多個磁體，這些磁體必須基於新的設計和材料。目前在LHC中使用的磁體是由鈮鈦（NbTi）超導材料製成的，但對於FCC來說，科學家們將轉向使用更強大的超導材料鈮錫（Nb3Sn）。
CERN媒體關係主管Arnaud Marsollier表示：「唯一適用於生產可實現16T磁場強度的加速器磁體的超導材料是Nb3Sn。」然而，這種材料對最微小的變形也是敏感的。考慮到材料將經歷的極端變化，這會產生問題，可能會降低其超導性能。因此，科學家需要做出新的設計來儘量減少對這些系統的壓力。
義大利國家核物理研究所（National Institute of Nuclear Physics）的Stefania Farinon及其同事是致力於製造更強大、更耐用的磁體的團隊之一。他們一直在嘗試改進一種叫做D2的特殊類型的磁體。D2磁體是粒子對撞機環形軌道上倒數第二個磁體，它就位於粒子相互撞擊之前。其主要功能是分離和重組兩束粒子。
圖片來源：義大利國家核物理研究所/IEEE
用於製造超導磁體的一項新技術涉及將系統（包括線圈[紅色]和鐵軛[藍色]）包裹在鋁殼[灰色]中。特別的水囊暫時放置在系統中並使其膨脹以對系統施加預應力。鋁殼有助於在系統進一步冷卻時對系統施加預應力。
1月14日，也就是CERN公布其對FCC的規劃的前一天，Farinon及其同事在IEEE Transactions on Applied Superconductivity上發表了一篇論文，介紹了如何為FCC製造一個由Nb3Sn製成且在FCC的更強磁場下不會降解的D2磁體。
D2磁體的兩個磁場具有相同的極性和方向——這也意味著磁場可以相互幹擾（一種被稱為「串擾」的現象），從而降低系統的性能。對於較低強度的磁場，例如LHC的磁場，這種串擾可以通過在兩個孔縫之間加入一種稱為鐵軛的元件來解決。但是在磁場強度較高時，鐵軛不足以阻止串擾。
為了解決這個問題，Farinon的團隊開發了一種新型D2磁體，它具有一個不同形狀的鐵軛和一個不對稱線圈系統。一個類似的設計將首先用於LHC，它會作為將於2026年完成的名為高亮度LHC（HL-LHC）的升級項目的一部分。
升級將能實現對粒子束的更好操縱，使碰撞總數增加10倍。這種新的D2磁體產生的磁場將能達到4.3 T，而HL-LHC最強大的磁體產生的磁場可能會達到10T到12 T。最近，D2磁體被運往了CERN，Farinon的研究團隊將於2月開始在那裡對其進行測試。
在他們最近發表的這篇論文中，Farinon的團隊建議，用於FCC的D2磁體由Nb3Sn 製成並實現10T的磁場強度，使用最近由美國勞倫斯伯克利國家實驗室的一個團隊開發的技術製造，使用鋁殼和加壓水囊對系統施加預應力。
為HL-LHC和FCC（如果能實施的話）開發這些升級，可以開闢新的粒子物理領域並提高我們對宇宙的理解。雖然許多物理學家對FCC的潛力感到興奮，但也有一些科學家認為，如果將建造該設施所需的資金用於健康或全球變暖計劃，是更好的選擇。在2020年上半年下一個歐洲戰略定稿後不久，CERN理事會將決定對FCC提案的哪些部分給予資助，或者是否為其提供資金。
中國科學院高能物理研究所所長王貽芳指出，提議的FCC將產生的電子-電子對撞能讓我們得到進一步的理解，稱這個設施「對希格斯屬性的測量精度可以提高10倍，這對於我們理解標準模型內外的物理學至關重要。」
雖然王貽芳支持FCC設計的電子-電子組件的開發，但他不太相信質子-質子對撞機提案部分需要那麼高的成本。他說：「在我個人看來，我認為Nb3Sn並不理想——它太貴了。但在目前，它是唯一的選擇。」
他在高能物理研究所的團隊正在探索超級質子-質子對撞機（SppC）的前景，不過SppC的磁場將由包含鐵基高溫超導體的電纜製成。他說：「鐵基高溫超導電纜具有許多有前途的特性，但（這項技術）仍然太遙遠，因為它的電流密度還差10倍。」
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