Resumen:
El CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, está desarrollando una nueva generación de imanes superconductores para la próxima ronda de actualizaciones del Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Estos imanes, que utilizan nuevos materiales y procesos de fabricación, han alcanzado una intensidad de campo magnético de 11,3 Tesla en las pruebas y se convertirán en una parte importante del futuro Gran Colisionador de Hadrones de alto brillo.
El Gran Colisionador de Hadrones utiliza campos magnéticos extremadamente potentes para controlar haces de partículas, lo que permite que las partículas viajen y colisionen a velocidades cercanas a la velocidad de la luz, ayudando así a los científicos a estudiar la composición básica de la materia. Actualmente, el LHC puede realizar alrededor de 40 millones de colisiones por segundo en un solo experimento, siendo el número de partículas involucradas en cada colisión aproximadamente 60. Al aumentar continuamente la frecuencia de las colisiones y el número de partículas, los científicos pueden buscar de manera más efectiva partículas raras y fenómenos físicos no observados previamente.
La siguiente fase del proyecto de actualización que el CERN está avanzando se llama Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad (LHC de Alta Luminosidad), que se espera que lance una nueva ronda de experimentos después de 2030. El objetivo después de la actualización es aumentar el número de partículas involucradas en cada colisión de 140 a 200, manteniendo al mismo tiempo una frecuencia de colisión de aproximadamente 40 millones de veces por segundo. El llamado "alto brillo" se refiere al hecho de que pueden ocurrir más colisiones de partículas por unidad de tiempo, aumentando así las posibilidades de descubrir fenómenos físicos raros.
Para lograr esto, el colisionador necesitará imanes compactos y confiables con campos magnéticos más fuertes. Los imanes dipolo tradicionales del LHC utilizan bobinas superconductoras de niobio y titanio (NbTi), y la intensidad del campo magnético puede alcanzar 8,3 Tesla, que es aproximadamente 166.000 veces la intensidad del campo magnético de la Tierra. Sin embargo, el rendimiento del material de niobio-titanio está cerca del límite superior de la intensidad del campo magnético que puede alcanzar, por lo que una nueva generación de imanes cuadrupolos comenzó a utilizar materiales superconductores de niobio-estaño (Nb₃Sn), con una intensidad de campo magnético objetivo cercana a 12 Tesla.
Una de las principales dificultades a las que se enfrenta esta actualización tecnológica es que los materiales de niobio y estaño tienen propiedades mecánicas completamente diferentes a las de los materiales tradicionales de niobio y titanio. El niobio-titanio tiene buena ductilidad y puede doblarse y enrollarse después de formar un material superconductor; El niobio-estaño es muy frágil y no puede soportar la gran tensión mecánica generada durante el proceso de bobinado de la bobina una vez que se forma la fase superconductora.
Para resolver este problema, los investigadores adoptaron un proceso de fabricación llamado "Wind-and-React". En pocas palabras, el material que aún no ha formado la fase superconductora final se enrolla en una bobina y luego, mediante un tratamiento térmico a alta temperatura, el niobio y el estaño reaccionan y finalmente se forma el material superconductor de niobio y estaño.
Durante el proceso de fabricación específico, el equipo de investigación utilizó primero un cable superconductor de 760 metros de largo y lo enrolló alrededor del marco central para formar un conjunto de bobinas con una longitud de aproximadamente 7,2 metros y aberturas de 150 milímetros. Luego, las baterías se colocan en un ambiente de gas inerte para un tratamiento térmico estrictamente controlado.
El proceso de tratamiento térmico dura varios días y la temperatura aumenta secuencialmente, manteniéndose en unos 210 grados Celsius y 400 grados Celsius durante un período de tiempo, y finalmente alcanza unos 650 grados Celsius. Después de este proceso, el niobio y el estaño del cable reaccionan químicamente para formar un compuesto de niobio y estaño con propiedades superconductoras.
Debido a que el material de niobio y estaño es muy frágil después de su formación, se debe tener mucho cuidado durante la manipulación posterior de la bobina. Cualquier flexión excesiva o deformación mecánica puede dañar el material superconductor y afectar el rendimiento eléctrico y la confiabilidad estructural del imán.
Después de completar el tratamiento térmico, los investigadores también utilizan resina epoxi líquida para tratar la bobina, lo que permite que la resina llene los huecos, grietas y huecos internos, y luego se solidifique en una estructura de polímero duro para mejorar la estabilidad mecánica de la bobina.
Este proyecto de fabricación está liderado por un equipo de unas 60 personas liderados por la ingeniera de imanes del CERN Susana Izquierdo Bermúdez. Ha estado involucrada en la investigación y el desarrollo de nuevos imanes desde 2012, y su trabajo incluye pruebas de devanado de bobinas, diseño electromagnético, diseño mecánico, fabricación y verificación del rendimiento.
Según los resultados de la investigación publicados por el equipo de investigación en IEEE Transactions on Applied Superconductivity, fabricaron más de 120 bobinas para imanes de 4,5 metros de largo y más de 70 bobinas para imanes de 7,2 metros de largo para el proyecto de actualización del LHC. Cada imán cuadrupolar requiere cuatro bobinas.
Todo el proyecto resultó en la producción de 250 bobinas, de las cuales 25 no cumplieron con los requisitos de calidad debido a errores humanos y defectos de rendimiento eléctricos o mecánicos durante el proceso de fabricación. Los investigadores señalaron que este tipo de imán superconductor requiere una precisión de fabricación extremadamente alta, e incluso defectos muy pequeños pueden inutilizar toda la bobina. Hubo una bobina que tuvo que ser desechada porque se sospechaba que una partícula metálica había quedado atrapada entre el devanado y el componente protector, lo que podría afectar su rendimiento operativo.
En septiembre de este año, el equipo completó las pruebas de control de calidad del imán de 7,2 metros de largo y confirmó que la intensidad máxima de su campo magnético alcanzó 11,3 Tesla. Actualmente, los imanes están funcionando bien y los investigadores han comenzado a seguir fabricando bobinas e imanes de repuesto para satisfacer las necesidades de futuros proyectos de actualización del LHC.
Este logro no es simplemente la búsqueda de números de campo magnético más altos, sino que significa que el CERN ha avanzado en materiales superconductores de niobio y estaño desde la investigación y el desarrollo de laboratorio hasta la etapa de fabricación de ingeniería de control de calidad estricto y a gran escala. Para el Gran Colisionador de Hadrones de Alto Brillo, un campo magnético más fuerte ayudará a los investigadores a controlar los haces de partículas de manera más efectiva, lo que permitirá que el colisionador alcance mayores capacidades de colisión de partículas dentro de un espacio determinado, proporcionando una infraestructura clave para los experimentos de física de partículas después de 2030.
Esta investigación se publicó en "IEEE Transactions on Superconducting Applications" el 24 de septiembre de 2026. IEEE Spectrum actualizó el informe el 10 de noviembre, corrigiendo el número de colisiones de partículas en cada experimento.
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