Pour construire la prochaine génération d'accélérateurs de protons puissants, les scientifiques ont besoin des aimants les plus puissants possibles pour diriger les particules à une vitesse proche de la lumière autour d'un anneau. Pour une taille de bague donnée, plus l'énergie du faisceau est élevée, plus les aimants de l'accélérateur doivent être puissants pour maintenir la trajectoire du faisceau.

Des scientifiques du laboratoire Fermi du ministère de l'Énergie ont annoncé qu'ils avaient atteint la force de champ magnétique la plus élevée jamais enregistrée pour un aimant de direction d'accélérateur, établissant un record du monde de 14,1 teslas, avec l'aimant refroidi à 4,5 kelvins ou moins 450 degrés Fahrenheit. Le précédent record de 13,8 teslas, atteint à la même température, a été détenu pendant 11 ans par Lawrence Berkeley National Laboratory.

C'est un aimant plus de mille fois plus puissant que l'aimant pour réfrigérateur qui maintient votre liste d'épicerie sur votre réfrigérateur.

Cette réalisation est une étape remarquable pour la communauté de la physique des particules, qui étudie les conceptions d'un futur collisionneur qui pourrait servir de successeur potentiel au puissant grand collisionneur de hadrons de 17 milles de diamètre fonctionnant au laboratoire du CERN depuis 2009. Une telle machine devrait accélérer les protons à des énergies plusieurs fois supérieures à celles du LHC.

Et cela nécessite des aimants de direction plus puissants que ceux du LHC, environ 15 teslas.

« Nous travaillons à briser le mur de 14 teslas depuis plusieurs années, donc arriver à ce point est une étape importante, " a déclaré le scientifique du Fermilab Alexander Zlobin, qui dirige le projet au Fermilab. "Nous sommes arrivés à 14,1 teslas avec notre aimant de démonstration de 15 teslas dans son premier test. Maintenant, nous travaillons pour en tirer une tesla de plus."

Le succès d'un futur collisionneur de hadrons à haute énergie dépend de manière cruciale d'aimants à champ élevé viables, et la communauté internationale de la physique des hautes énergies encourage la recherche vers l'aimant niobium-étain de 15 teslas.

Au cœur de la conception de l'aimant se trouve un matériau supraconducteur avancé appelé niobium-étain.

Le courant électrique qui le traverse génère un champ magnétique. Parce que le courant ne rencontre aucune résistance lorsque le matériau est refroidi à très basse température, il ne perd pas d'énergie et ne génère pas de chaleur. Tout le courant contribue à la création du champ magnétique. En d'autres termes, vous obtenez beaucoup de bang magnétique pour l'argent électrique.

La force du champ magnétique dépend de la force du courant que le matériau peut supporter. Contrairement au niobium-titane utilisé dans les aimants actuels du LHC, le niobium-étain peut supporter la quantité de courant nécessaire pour produire des champs magnétiques de 15 teslas. Mais le niobium-étain est fragile et susceptible de se briser lorsqu'il est soumis aux énormes forces à l'œuvre à l'intérieur d'un aimant d'accélérateur.

L'équipe du Fermilab a donc développé une conception d'aimant qui renforcerait la bobine contre toutes les contraintes et contraintes qu'elle pourrait rencontrer pendant le fonctionnement. Plusieurs dizaines de fils ronds ont été torsadés en câbles d'une certaine manière, lui permettant de répondre aux spécifications électriques et mécaniques requises. Ces câbles ont été enroulés en bobines et traités thermiquement à haute température pendant environ deux semaines, avec un pic de température d'environ 1, 200 degrés Fahrenheit, convertir les fils niobium-étain en supraconducteur aux températures de fonctionnement. L'équipe a enfermé plusieurs bobines dans une structure innovante solide composée d'une culasse en fer avec des pinces en aluminium et d'une peau en acier inoxydable pour stabiliser les bobines contre les énormes forces électromagnétiques qui peuvent déformer les bobines fragiles, dégradant ainsi les fils niobium-étain.

Le groupe Fermilab a pris en compte toutes les caractéristiques de conception connues, et ça a payé.

Il s'agit d'une réalisation formidable dans une technologie habilitante clé pour les collisionneurs circulaires au-delà du LHC, " dit Soren Prestemon, chercheur principal au Berkeley Lab et directeur du programme multilaboratoire de développement d'aimants aux États-Unis, qui comprend l'équipe du Fermilab. "C'est une étape exceptionnelle pour la communauté internationale qui développe ces aimants, et le résultat a été accueilli avec enthousiasme par les chercheurs qui utiliseront les faisceaux d'un futur collisionneur pour repousser les frontières de la physique des hautes énergies."

Et l'équipe du Fermilab est prête à s'imposer sur le territoire des 15 teslas.

« Il y a tellement de variables à prendre en compte dans la conception d'un aimant comme celui-ci :les paramètres de champ, fils et câbles supraconducteurs, structure mécanique et ses performances lors du montage et du fonctionnement, technologie d'aimant, et protection magnétique pendant le fonctionnement, " a déclaré Zlobin. "Tous ces problèmes sont encore plus importants pour les aimants avec des paramètres record."

Au cours des prochains mois, le groupe prévoit de renforcer le support mécanique de la bobine puis de retester l'aimant cet automne. Ils espèrent atteindre l'objectif de conception de 15 teslas.

Et ils visent encore plus haut pour l'avenir.

« Sur la base du succès de ce projet et des leçons que nous en avons tirées, nous prévoyons de faire progresser le domaine des aimants niobium-étain pour les futurs collisionneurs à 17 teslas, " a déclaré Zlobin.

Cela ne s'arrête pas là. Zlobin dit qu'ils pourraient être en mesure de concevoir des aimants de direction qui atteignent un champ de 20 teslas en utilisant des inserts spéciaux faits de nouveaux matériaux supraconducteurs avancés.

Appelez ça un objectif sur le terrain.

Le projet est soutenu par le ministère de l'Énergie Office of Science. C'est un élément clé du programme américain de développement d'aimants, qui comprend Fermilab, Laboratoire national de Brookhaven, Lawrence Berkeley National Laboratory et le National High Magnetic Field Laboratory.