為世界上最大的粒子對撞機設計磁體

在位于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(shù)據(jù)。但是，物理學家們很想知道這個模型是否適用于能量更高的粒子。

還必須進行更多的實驗來擴展標準模型，以回答諸如為什么宇宙里的物質比反物質多、暗物質到底是什么、中微子為什么具有質量等問題。LHC背后的研究機構CERN希望利用其提出的下一代設施——未來環(huán)形對撞機（Future Circular Collider，F(xiàn)CC）——來探索這些謎團。

1月15日，CERN發(fā)布了關于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，F(xiàn)CC將產(chǎn)生幾乎是LHC兩倍強的磁場，并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。鑒于LHC的磁體系統(tǒng)能實現(xiàn)8.3特斯拉的磁場強度，F(xiàn)CC系統(tǒng)將能實現(xiàn)16T的磁場強度。

現(xiàn)在，對于那些從事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(chǎn)生出如此強大的磁場？

FCC將需要4500多個磁體，這些磁體必須基于新的設計和材料。目前在LHC中使用的磁體是由鈮鈦（NbTi）超導材料制成的，但對于FCC來說，科學家們將轉向使用更強大的超導材料鈮錫（Nb3Sn）。

CERN媒體關系主管Arnaud Marsollier表示：“唯一適用于生產(chǎn)可實現(xiàn)16T磁場強度的加速器磁體的超導材料是Nb3Sn?！比欢?，這種材料對最微小的變形也是敏感的?？紤]到材料將經(jīng)歷的極端變化，這會產(chǎn)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盡量減少對這些系統(tǒng)的壓力。

意大利國家核物理研究所（National Institute of Nuclear Physics）的Stefania Farinon及其同事是致力于制造更強大、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(huán)形軌道上倒數(shù)第二個磁體，它就位于粒子相互撞擊之前。其主要功能是分離和重組兩束粒子。

圖片來源：意大利國家核物理研究所/IEEE

用于制造超導磁體的一項新技術涉及將系統(tǒng)（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(tǒng)中并使其膨脹以對系統(tǒng)施加預應力。鋁殼有助于在系統(tǒng)進一步冷卻時對系統(tǒng)施加預應力。

1月14日，也就是CERN公布其對FCC的規(guī)劃的前一天，F(xiàn)arinon及其同事在IEEE Transactions on Applied Superconductivity上發(fā)表了一篇論文，介紹了如何為FCC制造一個由Nb3Sn制成且在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干擾（一種被稱為“串擾”的現(xiàn)象），從而降低系統(tǒng)的性能。對于較低強度的磁場，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，F(xiàn)arinon的團隊開發(fā)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(tǒng)。一個類似的設計將首先用于LHC，它會作為將于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(xiàn)對粒子束的更好操縱，使碰撞總數(shù)增加10倍。這種新的D2磁體產(chǎn)生的磁場將能達到4.3 T，而HL-LHC最強大的磁體產(chǎn)生的磁場可能會達到10T到12 T。最近，D2磁體被運往了CERN，F(xiàn)arinon的研究團隊將于2月開始在那里對其進行測試。

在他們最近發(fā)表的這篇論文中，F(xiàn)arinon的團隊建議，用于FCC的D2磁體由Nb3Sn制成并實現(xiàn)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(fā)的技術制造，使用鋁殼和加壓水囊對系統(tǒng)施加預應力。

為HL-LHC和FCC（如果能實施的話）開發(fā)這些升級，可以開辟新的粒子物理領域并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于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(zhàn)略定稿后不久，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(chǎn)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，這對于我們理解標準模型內外的物理學至關重要?！?/p>

雖然王貽芳支持FCC設計的電子-電子組件的開發(fā)，但他不太相信質子-質子對撞機提案部分需要那么高的成本。他說：“在我個人看來，我認為Nb3Sn并不理想——它太貴了。但在目前，它是唯一的選擇?！?/p>

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制成。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?！?/p>