Voor sommigen, een doelwit maakt deel uit van een dartspel. Voor anderen, het is een winkelketen. In de deeltjesfysica, het is de plaats van een intense, complexe omgeving die een cruciale rol speelt bij het genereren van de kleinste componenten van het universum die wetenschappers kunnen bestuderen.

Het doelwit is een onbezongen speler in deeltjesfysica-experimenten, vaak achterover leunen om scène-stelende lichtsnelheid deeltjesbundels en gigantische deeltjesdetectoren. Toch zouden veel experimenten niet bestaan ​​zonder een doelwit. En, vergis je niet, een doelwit dat zijn mannetje staat, is een waardevolle speler.

Wetenschappers en ingenieurs van Fermilab onderzoeken momenteel doelen voor de studie van neutrino's - mysterieuze deeltjes die de sleutel zouden kunnen zijn tot de evolutie van het universum.

Intense interacties

Het typische deeltjesfysica-experiment wordt op twee manieren opgezet. In de eerste, twee energetische deeltjesbundels botsen op elkaar, het genereren van een regen van andere deeltjes voor wetenschappers om te bestuderen.

In de seconde, de deeltjesbundel raakt een stationaire, vast materiaal - het doelwit. In deze opstelling met een vast doel, de krachtige ontmoeting levert de deeltjesdouche op.

Als crashpad voor intense stralen, een doelwit vereist een sterke constitutie. Het moet bestand zijn tegen herhaalde aanvallen van krachtige stralen en bestand zijn tegen hoge temperaturen.

Je zou kunnen denken dat, als trouwe spelers in het spel van de productie van deeltjes, doelen zouden eruitzien als een vestingmuur (of misschien had je je een dartbord voorgesteld). Maar doelen nemen verschillende vormen aan:lang en dun, volumineus en breed. Ze zijn ook gemaakt van verschillende materialen, afhankelijk van het soort deeltje dat men wil maken. Ze kunnen van metaal zijn, water of zelfs speciaal ontworpen nanovezels.

In een experiment met een vast doel, de straal - zeg, een protonenstraal - snelt naar het doel, het slaan. Protonen in de bundel interageren met de kernen van het doelmateriaal, en de resulterende deeltjes schieten in alle richtingen van het doel weg. Magneten leiden vervolgens enkele van deze nieuw geboren deeltjes naar een detector, waar wetenschappers hun fundamentele eigenschappen meten.

De geboorteplaats van het deeltje

De deeltjes die uit de straal-doelinteractie tevoorschijn komen, zijn voor een groot deel afhankelijk van het doelmateriaal. Overweeg Fermilab-neutrino-experimenten.

Bij deze experimenten nadat de protonen het doel raken, sommige van de deeltjes in de daaropvolgende deeltjesdouche vervallen - of transformeren - in neutrino's.

Het doelwit moet van precies het juiste materiaal zijn gemaakt.

"Doelstellingen zijn cruciaal voor onderzoek naar deeltjesfysica, " zei Fermilab-wetenschapper Bob Zwaska. "Ze stellen ons in staat om al deze nieuwe deeltjes te creëren, zoals neutrino's, dat we willen studeren."

Grafiet is een goudlokje materiaal voor neutrino doelen. Als het in de protonenbundel op de juiste temperatuur wordt gehouden, het grafiet genereert deeltjes met precies de juiste energie om te kunnen vervallen tot neutrino's.

Voor neutronendoelen, zoals die bij de Spallation Neutron Source in het Oak Ridge National Laboratory, In plaats daarvan worden zwaardere metalen zoals kwik gebruikt.

Maximale interactie is het doel van het ontwerp van een doelwit. Het doelwit voor het NOvA-neutrino-experiment van Fermilab, bijvoorbeeld, is een rechte rij - ongeveer de lengte van je been - van grafietvinnen die op hoge dominostenen lijken. De protonenbundel loopt langs zijn as, en elke ontmoeting met een vin levert een interactie op. De dunne vorm van het doel zorgt ervoor dat weinig van de deeltjes die na een botsing wegschieten, weer in het doel worden geabsorbeerd.

Deeltjes doelen, zich verzetten

"Zolang de wetenschappers de deeltjes hebben die ze moeten bestuderen, zij zijn blij. Maar langs de lijn, soms raken de doelen beschadigd, " zei Fermilab-ingenieur Patrick Hurh. In dergelijke gevallen, ingenieurs moeten de stroom van de straal uitschakelen - of af en toe uitschakelen. "Als de straal niet op volle capaciteit is of is uitgeschakeld, we produceren niet zoveel deeltjes als we kunnen voor de wetenschap."

Hoe meer protonen er in de straal zitten, hoe meer interacties ze hebben met het doelwit, en hoe meer deeltjes er worden geproduceerd voor onderzoek. Targets moeten dus zoveel mogelijk in topvorm zijn. Dit betekent meestal het vervangen van doelen als ze verslijten, maar ingenieurs onderzoeken altijd manieren om de weerstand tegen doelwitten te verbeteren, of het nu door ontwerp of materiaal is.

Bedenk tegen welke doelen het gaat. Het zijn niet alleen hoogenergetische botsingen - de soorten interacties die deeltjes produceren voor studie - die doelen blijven bestaan.

Interacties met lagere energie kunnen langdurige, negatieve effecten op een doel, daarin warmte-energie op te bouwen. Als het doelmateriaal in temperatuur stijgt, het wordt kwetsbaarder voor scheuren. Uitbreidende warme gebieden hameren tegen koele gebieden, golven van energie creëren die de structuur destabiliseren.

Sommige van de botsingen in een hoogenergetische bundel kunnen ook lichtgewicht elementen zoals waterstof of helium creëren. Deze gassen bouwen zich in de loop van de tijd op, het creëren van bubbels en het maken van het doelwit minder bestand tegen schade.

Een proton uit de bundel kan zelfs een heel atoom afstoten, de kristalstructuur van het doelwit verstoren en ervoor zorgen dat het aan duurzaamheid verliest.

Duidelijk, een doelwit zijn is geen pretje, dus wetenschappers en ingenieurs verbeteren altijd doelen om beter te kunnen rollen.

Bijvoorbeeld, grafiet, gebruikt in Fermilab's neutrino-experimenten, is bestand tegen thermische belasting. En, omdat het poreus is, opgebouwde gassen die zich normaal tussen atomen zouden kunnen klemmen en hun rangschikking verstoren, kunnen in plaats daarvan migreren naar open gebieden in de atomaire structuur. Het grafiet kan stabiel blijven en de energiegolven van de protonenbundel weerstaan.

Ingenieurs vinden ook manieren om een ​​constante doeltemperatuur te handhaven. Ze hebben het zo ontworpen dat het gemakkelijk koel te houden is, integratie van extra koelinstrumenten in het doelontwerp. Bijvoorbeeld, externe waterbuizen helpen het doelwit voor het NOvA-neutrino-experiment van Fermilab te koelen.

Doelen voor intense neutrinostralen

Bij Fermilab, wetenschappers en ingenieurs testen ook nieuwe ontwerpen voor wat de krachtigste protonenstraal van het laboratorium zal zijn - de straal voor het vlaggenschip van het laboratorium, de Long-Baseline Neutrino Facility en het Deep Underground Neutrino Experiment, bekend als LBNF/DUNE.

Het is de bedoeling dat LBNF/DUNE in de jaren 2020 van start gaat. Het experiment vereist een intense straal hoogenergetische neutrino's - de meest intense ter wereld. Alleen de krachtigste protonenbundel kan aanleiding geven tot de hoeveelheden neutrino's die LBNF/DUNE nodig heeft.

Wetenschappers bevinden zich momenteel in de vroege testfasen voor LBNF / DUNE-doelen, het onderzoeken van materialen die de krachtige protonen kunnen weerstaan. Momenteel in de running zijn beryllium en grafiet, die ze tot het uiterste rekken. Als ze definitief hebben bepaald welk materiaal er als beste uitkomt, ze gaan naar de ontwerpprototypingfase. Tot dusver, de meeste van hun tests wijzen op grafiet als de beste keuze.

Doelstellingen zullen blijven evolueren en zich aanpassen. LBNF/DUNE biedt slechts één voorbeeld van doelen van de volgende generatie.

"Ons onderzoek is niet alleen leidend voor het ontwerp voor LBNF/DUNE, ' zei Hurh. 'Het is voor de wetenschap zelf. Er zullen altijd andere en krachtigere deeltjesbundels zijn, en doelen zullen evolueren om de uitdaging aan te gaan."