Сверхпроводимость в поиске аксионов
2014, Tом 11, выпуск 5
Тематика: Крупные проекты
Уже несколько лет физики пытаются обнаружить аксион - гипотетическую нейтральную частицу, ответственную за сохранение СР инвариантности в квантовой хромодинамике - теории, описывающей сильное взаимодействие элементарных частиц. Открытие аксиона позволит не только уточнить существующие в физике элементарных частиц теоретические модели, но и решить целый ряд загадок в астрофизики и космологии. Аксионы являются одним из кандидатов на роль темной материи, предполагается, что аксионы могут образовывать невидимое гало вокруг галактик.
Согласно теоретическим предсказаниям аксионы нейтральны, обладают малой массой и практически не взаимодействуют с обычным веществом. Предполагается, что из-за эффекта Примакова, основанного на резонансных превращениях фотонов в электрических и магнитных полях, аксионы могут образовываться в недрах звезд. Для обнаружения аксионов ученые рассчитывают использовать обратный эффект Примакова - в постоянном магнитном поле аксион может распасться на пару фотонов, которые легко обнаружить при помощи рентгеновского детектора (см. Рис. 1).
Рис. 1. Схема эксперимента по обнаружению аксиона.
С 2003 г. в ЦЕРНе проводится эксперимент CAST (CERN Axion Solar Telescope) по поиску возникающих на Солнце аксионов. Детектор установки CAST выполнен на базе прототипа сверхпроводящего диполя Большого Адронного Коллайдера (БАК). Длина магнитной системы детектора составляет 9 м, а рабочее магнитное поле 9 Тл. В двух рабочих каналах диполя сечением 15 см2 размещаются рентгеновские детекторы. К сожалению, обнаружить аксионы пока так и не удалось, и возникла необходимость в создании более чувствительного детектора.
В 2013 г. специалисты ЦЕРН приступили к созданию аксионного телескопа IAXO (International Axion Observatory), чувствительность которого будет в 300 раз выше, чем у CAST. Согласно теоретическим построениям, чувствительность детектора аксионов прямо пропорциональна его апертуре, пропорциональна квадрату величины его магнитного поля и квадрату длины магнитной системы детектора. Создание высокого магнитного поля в большом объеме является весьма сложной инженерной задачей, поэтому разработчики IAXO пошли по пути увеличения геометрических размеров устройства.
Магнитная система IAXO будет выполнена в виде удлиненного тороида из восьми секций внутренним радиусом 1,05 м, внешним радиусом 2,05 м при длине 21,8 м. Для изготовления секций сверхпроводящего магнита планируется использовать ниобий-титановый проводник. Для обнаружения аксионов служит объем между секциями тороида, магнитное поле в котором достигает 2,5 Тл (при максимальном магнитном поле на обмотке 5,4 Тл). Направление магнитного поля перпендикулярно оси детектора. Восемь рентгеновских детекторов располагаются позади криостата с магнитной системой и направлены в предусмотренные для них каналы. Телескоп IAXO должен быть постоянно направлен на солнце, для чего криостат со сверхпроводящей магнитной системой установят на подвижное основание, осуществляющее его наводку по вертикали и горизонтали. Внешний вид аксионного телескопа IAXO изображен на Рис. 2.
Рис. 2. Внешний вид сверхпроводящего аксионного телескопа IAXO.
Запасенная в сверхпроводящей магнитной системе IAXO энергия составит 500 МДж. Общий вес магнитной системы достигнет 250 тонн (холодная масса составит 130 тонн, из которой на ниобий-титановый проводник придется 65 тонн) при габаритных размерах вместе с криостатом Æ5,2 ´ 25 м. Очевидно, что IAXO можно отнести к мегаустановкам.
По своей конструкции сверхпроводящая магнитная система IAXO (см. Рис. 3) весьма напоминает успешно работающий на БАК детектор ATLAS. Также, как и в последнем, в IAXO будут использоваться токонесущие элементы в виде ниобий-титановых кабелей Резерфордовского типа, заключенных в алюминиевый стабилизатор сечением 35 ´ 8 мм. Каждая из восьми обмоток детектора заключена в массивный корпус из алюминиевого сплава AL5083, который предполагается охлаждать путем прокачки жидкого гелия через контактирующие с ним трубки. Номинальный ток обмоток составляет 12,3 кА при критическом токе проводника в 58 кА в магнитном поле 5 Тл. Столь высокий запас по току объясняется как сложностями косвенного охлаждения обмоток, так и высокими механическими напряжениями в них. В отличии от детектора ATLAS, криостат IAXO подвижен, что значительно осложняет подвеску сверхпроводящего магнита и конструкцию системы криогенного обеспечения.
Криостат IAXO рассчитан на работу при углах наклона ±250, что требует надежного крепления магнитной системы внутри при минимальной величине притока тепла в криогенный объем. Секции магнитной системы IAXO скреплены друг с другом при помощи центральной опорной трубы и системы распорок. Центральную часть магнитной системы и внешний корпус криостата соединяет несколько опор из стеклопластика, узлы подвески располагаются вблизи центра масс (см. Рис. 3). Для уменьшения теплопритоков к сверхпроводящему магниту используется тепловой экран с температурой
40-80К. Также предполагается использовать ВТСП токовводы, аналогичные установленным на БАК.
Рис. 3. Разрез сверхпроводящей магнитной системы
аксионного телескопа IAXO в центральной плоскости.
Система криогенного обеспечения IAXO будет основана на гелиевом ожижителе с хладопроизводительностью 360 Вт при температуре 4,5 К. Расчетная величина притоков тепла к сверхпроводящему магниту составляет около 150 Вт. Большая часть гелиевого ожижителя (за исключением компрессора и блока газоподготовки) будет смонтирована на подвижном основании аксионного телескопа. Внутри криостата телескопа располагается заполненный жидким гелием бак с теплообменником, который распределяет хладагент по обмоткам магнитной системы. Ожижитель и криостат соединяются системой гибких криогенных трубопроводов, обеспечивающих подвижность во всем диапазоне рабочих углов. Для охлаждения ВТСП токовводов и теплового экрана предусмотрены дополнительные контуры охлаждения с газообразным гелием при температуре 20К и 40-80К.
Вне всякого сомнения, реализация проекта аксионного телескопа IAXO станет заметной вехой для физики элементарных частиц. Остается лишь пожелать нашим коллегам в ЦЕРНе успехов в поиске аксиона.
1. I. Shilon, A. Dudarev, H. Silva, U. Wagner, H.H. Kate, AIP Conference Proceedings 1573, 1559 (2014).