为世界上最大的粒子对撞机设计磁体

在位于瑞士的大型强子对撞机（LHC）中，人造磁场——磁场强度大约是地球磁场的20万倍——以接近光速的速度将粒子加速，让两束粒子相互撞击。利用这个世界著名的粒子加速器进行的实验提供了支持标准模型（一个描述宇宙中粒子的行为和相互作用的理论）的关键数据。但是，物理学家们很想知道这个模型是否适用于能量更高的粒子。

还必须进行更多的实验来扩展标准模型，以回答诸如为什么宇宙里的物质比反物质多、暗物质到底是什么、中微子为什么具有质量等问题。LHC背后的研究机构CERN希望利用其提出的下一代设施——未来环形对撞机（Future Circular Collider，FCC）——来探索这些谜团。

1月15日，CERN发布了关于FCC的第一份报告，概述了FCC可能的设计，有130多家机构为该报告的完成做出了贡献。该设施估计建设成本在90亿欧元到210亿欧元之间，部分设施可能会在2040年开放。

如果能够建成，FCC将产生几乎是LHC两倍强的磁场，并将粒子加速到前所未有的100TeV的超高能量，而LHC的能量只有13TeV。鉴于LHC的磁体系统能实现8.3特斯拉的磁场强度，FCC系统将能实现16T的磁场强度。

现在，对于那些从事FCC设计工作的人来说，问题是：科学家们接下来必须要完成怎样的技术壮举才能产生出如此强大的磁场？

FCC将需要4500多个磁体，这些磁体必须基于新的设计和材料。目前在LHC中使用的磁体是由铌钛（NbTi）超导材料制成的，但对于FCC来说，科学家们将转向使用更强大的超导材料铌锡（Nb3Sn）。

CERN媒体关系主管Arnaud Marsollier表示：“唯一适用于生产可实现16T磁场强度的加速器磁体的超导材料是Nb3Sn。”然而，这种材料对最微小的变形也是敏感的。考虑到材料将经历的极端变化，这会产生问题，可能会降低其超导性能。因此，科学家需要做出新的设计来尽量减少对这些系统的压力。

意大利国家核物理研究所（National Institute of Nuclear Physics）的Stefania Farinon及其同事是致力于制造更强大、更耐用的磁体的团队之一。他们一直在尝试改进一种叫做D2的特殊类型的磁体。D2磁体是粒子对撞机环形轨道上倒数第二个磁体，它就位于粒子相互撞击之前。其主要功能是分离和重组两束粒子。

图片来源：意大利国家核物理研究所/IEEE

用于制造超导磁体的一项新技术涉及将系统（包括线圈[红色]和铁轭[蓝色]）包裹在铝壳[灰色]中。特别的水囊暂时放置在系统中并使其膨胀以对系统施加预应力。铝壳有助于在系统进一步冷却时对系统施加预应力。

1月14日，也就是CERN公布其对FCC的规划的前一天，Farinon及其同事在IEEE Transactions on Applied Superconductivity上发表了一篇论文，介绍了如何为FCC制造一个由Nb3Sn制成且在FCC的更强磁场下不会降解的D2磁体。

D2磁体的两个磁场具有相同的极性和方向——这也意味着磁场可以相互干扰（一种被称为“串扰”的现象），从而降低系统的性能。对于较低强度的磁场，例如LHC的磁场，这种串扰可以通过在两个孔缝之间加入一种称为铁轭的元件来解决。但是在磁场强度较高时，铁轭不足以阻止串扰。

为了解决这个问题，Farinon的团队开发了一种新型D2磁体，它具有一个不同形状的铁轭和一个不对称线圈系统。一个类似的设计将首先用于LHC，它会作为将于2026年完成的名为高亮度LHC（HL-LHC）的升级项目的一部分。

升级将能实现对粒子束的更好操纵，使碰撞总数增加10倍。这种新的D2磁体产生的磁场将能达到4.3 T，而HL-LHC最强大的磁体产生的磁场可能会达到10T到12 T。最近，D2磁体被运往了CERN，Farinon的研究团队将于2月开始在那里对其进行测试。

在他们最近发表的这篇论文中，Farinon的团队建议，用于FCC的D2磁体由Nb3Sn 制成并实现10T的磁场强度，使用最近由美国劳伦斯伯克利国家实验室的一个团队开发的技术制造，使用铝壳和加压水囊对系统施加预应力。

为HL-LHC和FCC（如果能实施的话）开发这些升级，可以开辟新的粒子物理领域并提高我们对宇宙的理解。虽然许多物理学家对FCC的潜力感到兴奋，但也有一些科学家认为，如果将建造该设施所需的资金用于健康或全球变暖计划，是更好的选择。在2020年上半年下一个欧洲战略定稿后不久，CERN理事会将决定对FCC提案的哪些部分给予资助，或者是否为其提供资金。

中国科学院高能物理研究所所长王贻芳指出，提议的FCC将产生的电子-电子对撞能让我们得到进一步的理解，称这个设施“对希格斯属性的测量精度可以提高10倍，这对于我们理解标准模型内外的物理学至关重要。”

虽然王贻芳支持FCC设计的电子-电子组件的开发，但他不太相信质子-质子对撞机提案部分需要那么高的成本。他说：“在我个人看来，我认为Nb3Sn并不理想——它太贵了。但在目前，它是唯一的选择。”

他在高能物理研究所的团队正在探索超级质子-质子对撞机（SppC）的前景，不过SppC的磁场将由包含铁基高温超导体的电缆制成。他说：“铁基高温超导电缆具有许多有前途的特性，但（这项技术）仍然太遥远，因为它的电流密度还差10倍。”