För att bygga nästa generation av kraftfulla protonacceleratorer, forskare behöver de starkaste magneterna för att styra partiklar nära ljusets hastighet runt en ring. För en given ringstorlek, ju högre strålens energi, desto starkare måste acceleratorns magneter vara för att hålla strålen på rätt kurs.

Forskare vid Department of Energy's Fermilab har meddelat att de uppnått den högsta magnetfältstyrkan som någonsin registrerats för en acceleratorstyrmagnet, satte ett världsrekord på 14,1 tesla, med magneten kyld till 4,5 kelvin eller minus 450 grader Fahrenheit. Det tidigare rekordet på 13,8 tesla, uppnås vid samma temperatur, hölls i 11 år av Lawrence Berkeley National Laboratory.

Det är mer än tusen gånger starkare magnet än kylskåpsmagneten som håller din matlista i ditt kylskåp.

Prestationen är en anmärkningsvärd milstolpe för partikelfysikgemenskapen, som studerar konstruktioner för en framtida kolliderare som skulle kunna fungera som en potentiell efterföljare till den kraftfulla 17 mil runt Large Hadron Collider som arbetar vid CERN-laboratoriet sedan 2009. En sådan maskin skulle behöva accelerera protoner till energier flera gånger högre än de vid LHC.

Och det kräver styrmagneter som är starkare än LHC:s, ca 15 teslas.

"Vi har arbetat med att bryta 14-teslamuren i flera år, så att komma till denna punkt är ett viktigt steg, "sa Fermilab -forskaren Alexander Zlobin, som leder projektet på Fermilab. "Vi kom till 14,1 tesla med vår 15-tesla demonstratormagnet i sitt första test. Nu jobbar vi på att dra en tesla till från den."

Framgången för en framtida högenergi-hadronkolliderare beror mycket på livskraftiga högfältsmagneter, och den internationella högenergifysikgemenskapen uppmuntrar forskning mot 15-tesla niob-tennmagneten.

Kärnan i magnetens design är ett avancerat supraledande material som kallas niob-tenn.

Elektrisk ström som flyter genom den genererar ett magnetfält. Eftersom strömmen inte stöter på något motstånd när materialet kyls till mycket låg temperatur, det tappar ingen energi och genererar ingen värme. All ström bidrar till skapandet av magnetfältet. Med andra ord, du får massor av magnetisk bang för elpengen.

Magnetfältets styrka beror på styrkan på strömmen som materialet klarar av. Till skillnad från niob-titan som används i nuvarande LHC-magneter, niob-tenn kan stödja den mängd ström som behövs för att göra 15-tesla magnetiska fält. Men niobtenn är sprött och känsligt för att gå sönder när det utsätts för de enorma krafterna som verkar inuti en acceleratormagnet.

Så Fermilab -teamet utvecklade en magnetdesign som skulle stärka spolen mot alla påfrestningar och belastningar som den kan stöta på under drift. Flera dussin runda ledningar tvinnades till kablar på ett visst sätt, så att den uppfyller de erforderliga elektriska och mekaniska specifikationerna. Dessa kablar lindades till spolar och värmebehandlades vid höga temperaturer i cirka två veckor, med en topptemperatur på ca 1, 200 grader Fahrenheit, för att omvandla niob-tenntrådarna till supraledare vid driftstemperaturer. Teamet inneslutna flera spolar i en stark innovativ struktur bestående av ett järnok med aluminiumklämmor och en rostfri stålhölje för att stabilisera spolarna mot de enorma elektromagnetiska krafterna som kan deformera de spröda spolarna, sålunda försämrar niob-tenntrådarna.

Fermilab-gruppen tog hänsyn till alla kända designegenskaper, och det lönade sig.

Detta är en enorm prestation i en nyckelteknik för cirkulära kolliderare bortom LHC, sa Sören Prestemon, en senior forskare vid Berkeley Lab och chef för multilaboratoriet U.S. Magnet Development Program, som inkluderar Fermilab-teamet. "Detta är en exceptionell milstolpe för det internationella samfundet som utvecklar dessa magneter, och resultatet har mottagits entusiastiskt av forskare som kommer att använda strålarna från en framtida kolliderare för att skjuta fram gränserna för högenergifysik."

Och Fermilab-teamet är redo att sätta sin prägel på 15-tesla-territoriet.

"Det finns så många variabler att tänka på när man designar en magnet som denna:fältparametrarna, supraledande tråd och kabel, mekanisk struktur och dess prestanda under montering och drift, magnetteknologi, och magnetskydd under drift, "Zlobin sa." Alla dessa frågor är ännu viktigare för magneter med rekordparametrar. "

Under de närmaste månaderna, gruppen planerar att förstärka spolens mekaniska stöd och sedan testa om magneten i höst. De förväntar sig att uppnå designmålet på 15 tesla.

Och de siktar ännu högre upp för framtiden.

"Baserat på framgången med detta projekt och de lärdomar vi lärde oss, vi planerar att avancera fältet i niobtennmagneter för framtida kolliderar till 17 tesla, sa Zlobin.

Det stannar inte där. Zlobin säger att de kanske kan designa styrmagneter som når ett fält på 20 tesla med hjälp av speciella insatser gjorda av nya avancerade supraledande material.

Kalla det ett fältmål.

Projektet stöds av Department of Energy Office of Science. Det är en viktig del av U.S. Magnet Development Program, som inkluderar Fermilab, Brookhaven National Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory och National High Magnetic Field Laboratory.