El Futur Col·lsionador Circular (FCC), amb una circumferència de 100 km, continuarà la recerca que es faara al Gran Col·lisionador d’Hadrons (LHC) en busca de la nova física. Un equip amb participació del ICMAB-CSIC, treballa en el revestiment amb superconductors de l'interior del gran anell del FCC. Els cientifics revelen que els superconductors superen en un factor de 40 el rendiment del coure, el que milloraria l'eficiència del FCC i proporcionaria un gran estalvi energètic.
El 4 de juliol de 2012 els científics del CERN van anunciar el descobriment del bosó de Higgs basant-se en les col·lisions detectades en els detectors ATLAS i CMS al gran col·lisionador d'hadrons (LHC). El bosó de Higgs és responsable de l'origen de la massa de les partícules subatòmiques, i és un component essencial del Model Estàndard, un dels marcs teòrics més reeixits de la física. Gràcies a aquest descobriment, el 10 de desembre de 2013 F. Englert i P. Higgs van rebre el Premi Nobel de Física per la seva predicció teòrica en 1964.
L'LHC ha demostrat ser fonamental per a l'avanç del nostre coneixement de la matèria i del Model Estàndard. No obstant això, l'energia de col·lisió dels protons de 13 TeV que produeix no és suficient per explorar qüestions clau sobre l'Univers de gran rellevància actualment, com la matèria fosca i l'energia fosca (juntes formen el 95 % de l'Univers), la supersimetria, l’origen de les masses de neutrins, o l'existència de dimensions addicionals. Calen col·lisions d'energia més altes.
Amb aquesta finalitat, l'estudi del futur col·lisionador circular (FCC) explora les opcions per a una pròxima generació de col·lisionadors d'hadrons, que hauria de substituir l'LHC, de 27 km, al final de la seva vida productiva. L'objectiu del FCC és aconseguir els 100 TeV d'energia de col·lisió protó-protó en l'anell de 100 km de circumferència que estarà situat a prop de les instal·lacions del CERN.
¿Per què superconductors?
Es necessiten imants superconductors refredats a temperatures molt baixes (1,9 K), que generen un camp magnètic molt potent de 16 T (1.600 vegades més potent que els imants de cuina), per dirigir el feix de protons dins el FCC. Els protons accelerats que circulen pel túnel FCC perden energia en forma de radiació de sincrotró (28 W/m/feix), que podria escalfar els imants si no estiguessin degudament protegits. Una pantalla d'acer inoxidable protegeix els imants d'aquesta radiació, permetent així una millor eficiència criogènica i un millor consum d'energia.
Una altra conseqüència de les partícules accelerades és la formació de corrents d'imatge a la pantalla protectora. Aquests corrents d'imatge produeixen camps elèctrics que podrien desestabilitzar el feix de protons i impedir les col·lisions fructíferes tan desitjades. Per evitar aquest fenomen, la pantalla de 27 km al LHC es manté entre 5 i 20 K, i està coberta amb una capa de coure. A aquesta baixa temperatura, el coure té una resistència molt baixa, minimitzant així els camps elèctrics creats pels corrents d'imatge induïdes pels protons accelerats.
No obstant això, no és viable ni econòmicament possible mantenir el FCC a aquestes baixes temperatures: el FCC és molt més llarg (100 km en lloc de 27 km), i la intensitat de la radiació sincrotró generada per les partícules és 100 vegades més potent. Per tant, es necessita molta més energia per mantenir les baixes temperatures i, eventualment, un cost energètic i econòmic inassequible.
El rang de temperatura en el qual el FCC ha de treballar és d'entre 40 K i 60 K, i en aquest rang de temperatura, la resistència superficial del coure pot no ser prou baixa com per garantir un funcionament estable del FCC. Quin material podria utilitzar-se en aquest rang de temperatures, amb una baixa resistència (alta conductivitat) i que podria utilitzar-se per a revestir fàcilment la pantalla protectora del FCC?
Científics del grup Superconducting Materials and Large Scale nanostructures (SUMAN) de l'Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC) han proposat una solució a aquest repte: recobrir la pantalla protectora amb un superconductor d'alta temperatura en lloc de coure. Els superconductors d'alta temperatura del tipus REBa2Cu3O7-x (on RE és un metall de les terres rares, com I (itri) o Gd (gadolini)), es produeixen com materials flexibles en cintes de centenars de quilòmetres de longitud i podrien ser els candidats ideals. Els científics del grup SUMAN tenen una llarga trajectòria amb la seva fabricació i estudi.
Científics dins d'un consorci format per l'ICMAB, l'ALBA, l'IFAE i la UPC han demostrat que els superconductors d'alta temperatura són capaços de superar la resistència superficial del coure en un factor de 40 o més en les condicions que es troben al FCC. "A més, ja estem desenvolupant una tecnologia que permetrà revestir l'interior de l'anell de 100 km de l'FCC amb aquests superconductors en lloc de coure", explica Joffre Gutiérrez, investigador de l'ICMAB que participa en l'estudi.
L'Estudi FCC del CERN és una col·laboració internacional de més de 150 universitats, instituts de recerca i socis industrials de tot el món per explorar conceptes per al col·lisionador de partícules més potent i per desenvolupar tecnologies avançades. En l'estudi s'analitzaran diferents formats dels col·lisionadors circulars, les noves instal·lacions de detecció de partícules, la infraestructura associada, les estimacions de costos, les aplicacions a escala mundial, així com les estructures de governança internacional adequades.
Article de referència:
Teresa Puig, Patrick Krkotic, Artur Romanov, Joan O'Callaghan, Danilo Andrea Zanin, Holger Neupert, Pedro Costa Pinto, Pierre Demolon, Ângelo Rafael Granadeiro Costa, Mauro Taborelli, Francis Perez, Montse Pont, Joffre Gutierrez y Sergio Calatroni. Coated Conductor technology for the beamscreen chamber of future high energy circular colliders. Superconductor Science and Technology. Accepted Manuscript online 1 July 2019. DOI: 10.1088/1361-6668/ab2e66
Noticia via: Anna May / Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC)