Het acceleratorcomplex van Fermilab heeft een belangrijke mijlpaal bereikt:het Amerikaanse ministerie van Energie heeft Fermi National Accelerator Laboratory formeel goedgekeurd om door te gaan met het ontwerp van PIP-II, een versneller-upgradeproject dat zal zorgen voor meer bundelvermogen om een ​​ongekende stroom neutrino's te genereren - subatomaire deeltjes die ons begrip van het universum zouden kunnen ontsluiten - en een breed programma van natuurkundig onderzoek voor vele jaren mogelijk maken.

De PIP-II (Proton Improvement Plan II) accelerator-upgrades zijn een integraal onderdeel van het door Fermilab gehoste Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), dat is het grootste internationale wetenschappelijke experiment dat ooit op Amerikaanse bodem is uitgevoerd. DUNE heeft enorme hoeveelheden neutrino's nodig om het mysterieuze deeltje tot in detail te bestuderen en, met de laatste goedkeuring voor PIP-II, Fermilab is gepositioneerd om de wereldleider te zijn in op versneller gebaseerd neutrino-onderzoek. De Long-baseline Neutrino Facility (LBNF), die ook DUNE zal ondersteunen, had zijn baanbrekende ceremonie in juli 2017.

De mogelijkheid om bij te dragen aan PIP-II heeft wetenschappers en ingenieurs van over de hele wereld naar Fermilab getrokken:PIP-II is het eerste versnellerproject op Amerikaanse bodem dat aanzienlijke bijdragen zal krijgen van internationale partners. De PIP-II-partnerschappen van Fermilab omvatten instellingen in India, Italië, Frankrijk en het VK, evenals de Verenigde Staten.

PIP-II speelt in op recente ontwikkelingen op het gebied van deeltjesversnellers die zijn ontwikkeld bij Fermilab en andere instellingen, waardoor zijn versnellers deeltjesbundels kunnen genereren met hogere vermogens dan voorheen beschikbaar was. De krachtige deeltjesbundels zullen op hun beurt intense neutrinobundels creëren, wetenschappers voorzien van een overvloed aan deze subtiele deeltjes.

"De krachtige versnellers van PIP-II en zijn nationale en multinationale partnerschappen versterken de positie van Fermilab als de op versneller gebaseerde neutrinofysica-hoofdstad van de wereld, " zei DOE-ondersecretaris voor Wetenschap Paul Dabbar. "LBNF/DUNE, het op Fermilab gebaseerde megawetenschappelijke experiment voor neutrino-onderzoek, heeft al meer dan 1 aangetrokken 000 medewerkers uit 32 landen. Nu de versnellerkant van het experiment toeneemt in de vorm van PIP-II, Fermilab trekt niet alleen wereldwijd medewerkers aan voor neutrinowetenschap, maar de Amerikaanse deeltjesfysica krijgt ook een krachtige boost."

Een belangrijke mijlpaal

De DOE-mijlpaal wordt formeel Critical Decision 1-goedkeuring genoemd, of CD-1. Bij het toekennen van CD-1, DOE keurt de aanpak en het kostenbereik van Fermilab goed. De mijlpaal markeert de voltooiing van de projectdefinitiefase en het conceptuele ontwerp. De volgende stap is om het project te verplaatsen in de richting van het vaststellen van een prestatiebasislijn.

"We zien PIP-II als het hart van Fermilab:een platform dat meerdere mogelijkheden biedt en brede wetenschappelijke programma's mogelijk maakt, inclusief de krachtigste op versneller gebaseerde neutrinobron ter wereld, " zei Fermilab PIP-II Project Director Lia Merminga. "Met het groene licht om onze blauwdruk te verfijnen, we kunnen ons concentreren op het ontwerpen van het PIP-II-versnellercomplex om zo krachtig en flexibel mogelijk te zijn."

De krachtige neutrinostroom van PIP-II

Neutrino's zijn alomtegenwoordige maar vluchtige deeltjes, de moeilijkst te vangen van alle leden van de subatomaire deeltjesfamilie. Wetenschappers vangen ze door neutrinobundels gegenereerd door deeltjesversnellers naar grote, verdiepingen hoge detectoren. Hoe groter het aantal neutrino's dat naar de detectoren wordt gestuurd, hoe groter de kans dat de detectoren ze vangen, en hoe meer kans er is om deze subatomaire ontsnappingskunstenaars te bestuderen.

Dat is waar PIP-II om de hoek komt kijken.

Het verbeterde PIP-II-versnellercomplex van Fermilab zal protonenbundels genereren met een aanzienlijk groter vermogen dan momenteel beschikbaar is. De toename van het bundelvermogen vertaalt zich in meer neutrino's die naar de verschillende neutrino-experimenten van het laboratorium kunnen worden gestuurd. Het resultaat zal 's werelds meest intense hoogenergetische neutrinostraal zijn.

Het doel van PIP-II is het produceren van een protonenbundel van meer dan 1 megawatt, ongeveer 60 procent hoger dan het bestaande versnellercomplex levert. Eventueel, ingeschakeld door PIP-II, Fermilab zou het gaspedaal kunnen upgraden om dat vermogen te verdubbelen tot meer dan 2 megawatt.

"Op die kracht, we kunnen de detectoren gewoon overspoelen met neutrino's, "Zei DUNE-medewoordvoerder en natuurkundige Ed Blucher van de Universiteit van Chicago. "Dat is wat zo opwindend is. Elk neutrino dat in onze detectoren stopt, voegt een beetje informatie toe aan ons beeld van het universum. En hoe meer neutrino's stoppen, hoe dichter we bij het invullen van het plaatje komen."

De grootste en meest ambitieuze van deze detectoren zijn die in DUNE, die naar verwachting medio 2020 van start gaat. DUNE zal twee detectoren gebruiken, gescheiden door een afstand van 800 mijl (1, 300 kilometer) - een in Fermilab en een tweede, veel grotere detector die zich een mijl onder de grond bevindt in South Dakota bij de Sanford Underground Research Facility. Prototypes van die technologisch geavanceerde neutrinodetectoren zijn nu in aanbouw in het Europese deeltjesfysica-laboratorium CERN, dat een belangrijke partner is in LBNF/DUNE, en zullen naar verwachting later dit jaar gegevens verzamelen.

De versnellers van Fermilab, verbeterd volgens het PIP-II-plan, zal een bundel neutrino's naar de DUNE-detector in Fermilab sturen. De straal vervolgt zijn weg dwars door de aardkorst naar de detector in South Dakota. Wetenschappers zullen de gegevens bestuderen die door beide detectoren zijn verzameld, door ze te vergelijken om een ​​beter beeld te krijgen van hoe de eigenschappen van neutrino's over de lange afstand veranderen.

De detector in South Dakota, bekend als de DUNE verre detector, is enorm. Het zal vier verdiepingen hoog zijn en een oppervlakte beslaan die vergelijkbaar is met een voetbalveld. Met het ondersteunende platform LBNF, DUNE is ontworpen om een ​​stortvloed van neutrino's aan te kunnen.

En, met de medewerking van internationale partners, PIP-II is ontworpen om het te leveren.

Partners in PIP-II

De ontwikkeling van een grote deeltjesversneller met internationale deelname vertegenwoordigt een nieuw paradigma in Amerikaanse versnellerprojecten:PIP-II is het eerste in de VS gevestigde versnellerproject met multinationale partners. Momenteel zijn dit onder meer laboratoria in India (BARC, IUAC, RRCAT, VECC) en instellingen die in Italië worden gefinancierd door het Nationaal Instituut voor Kernfysica (INFN), Frankrijk (CEA en IN2P3), en in het VK door de Science and Technology Facilities Council (STFC).

In een overeenkomst met India, vier instellingen van het Indiase ministerie van Atoomenergie zijn gemachtigd om apparatuur te leveren, met details die vóór de start van de bouw moeten worden geformaliseerd.

"De internationale wetenschappelijke gemeenschap brengt toonaangevende expertise en capaciteiten naar het project. Hun betrokkenheid en gedeelde gevoel van eigenaarschap bij het succes van het project behoren tot de meest overtuigende sterke punten van PIP-II, ' zei Merminga.

PIP-II-partners dragen acceleratorcomponenten bij, hun ontwikkeling samen met Fermilab voortzetten door middel van regelmatige uitwisselingen van wetenschappers en ingenieurs. De samenwerking is wederzijds voordelig. Voor sommige internationale partners deze samenwerking biedt een kans voor de ontwikkeling van hun eigen faciliteiten en infrastructuur, evenals voor de lokale acceleratorindustrie.

Versnelde supergeleidende technologie

Het middelpunt van het PIP-II-project is de constructie van een nieuwe supergeleidende radiofrequentie (SRF) lineaire versneller, die de eerste fase zal worden van de verbeterde Fermilab-versnellerketen. Het vervangt de huidige Fermilab Linac. ("Linac" is een gebruikelijke afkorting voor "lineaire versneller, " waarin de deeltjesstraal langs een recht pad voortgaat.) Het plan is om de SRF-linac te installeren onder 25 voet aarde in het binnenveld van de nu buiten gebruik gestelde Tevatron-ring.

De nieuwe SRF-linac zal vanaf het begin een grote boost geven aan zijn deeltjesbundel, verdubbeling van de bundelenergie van zijn voorganger van 400 miljoen tot 800 miljoen elektronvolt. Die boost zal het Fermilab-versnellercomplex in staat stellen om bundelvermogen op megawattschaal te bereiken.

Supergeleidende materialen hebben geen elektrische weerstand, zodat de stroming er moeiteloos doorheen vaart. Door gebruik te maken van supergeleidende componenten, versnellers minimaliseren de hoeveelheid stroom die ze uit het elektriciteitsnet halen, meer ervan naar de straal kanaliseren. Stralen bereiken dus hogere energieën tegen lagere kosten dan in normaal geleidende versnellers, zoals Fermilab's huidige Linac.

In de lina, supergeleidende componenten die versnellende holtes worden genoemd, zullen energie aan de deeltjesbundel geven. de holtes, die eruit zien als strengen jumbo, zilveren parels, zijn gemaakt van niobium en zullen van begin tot eind worden opgesteld. De deeltjesbundel zal langs de as van de ene holte na de andere versnellen, energie oppikken als het gaat.

"Fermilab is een van de pioniers in supergeleidende versnellertechnologie, "Zei Merminga. "Veel van de hier ontwikkelde vorderingen gaan naar de PIP-II SRF-linac."

De linac-holtes worden omhuld in 25 cryomodules, welke cryogenen huisvesten om de holtes koud te houden (om de supergeleiding te behouden).

Veel huidige en toekomstige deeltjesversnellers zijn gebaseerd op supergeleidende technologie, en de vooruitgang die wetenschappers helpt om neutrino's te bestuderen, heeft vermenigvuldigende effecten buiten de fundamentele wetenschap. Onderzoekers ontwikkelen supergeleidende versnellers voor medicijnen, milieu opruimen, kwantumcomputers, industrie en nationale veiligheid.

Het straalschema

In PIP-II, een bundel protonen zal in de linac worden geïnjecteerd. In de loop van zijn 176 meter - zes en een half olympische zwembadlengte - zal de straal versnellen tot een energie van 800 miljoen elektronvolt. Zodra het door de supergeleidende linac gaat, het zal de rest van Fermilabs huidige versnellerketen binnengaan - nog drie extra versnellers - die de komende jaren ook aanzienlijke upgrades zullen ondergaan om de hogere energiestraal van de nieuwe linac te verwerken. Tegen de tijd dat de straal de laatste versneller verlaat, het zal een energie hebben van maximaal 120 miljard elektronvolt en meer dan 1 megawatt aan vermogen.

Nadat de protonenbundel de keten verlaat, het zal een gesegmenteerde cilinder van koolstof raken. De straal-koolstofbotsing zal een regen van andere deeltjes veroorzaken, die naar verschillende Fermilab-experimenten zullen worden geleid. Sommige van deze post-collision-deeltjes zullen worden - zullen "vervallen in, " in natuurkunde lingo - neutrino's, die op dat moment al op weg zijn naar hun detectoren.

De initiële protonenbundel van PIP-II - die wetenschappers zullen kunnen verdelen tussen LBNF / DUNE en andere experimenten - kan worden geleverd in pulsen of als een continue protonenstroom.

De front-end componenten voor PIP-II - die stroomopwaarts van de supergeleidende linac - zijn al ontwikkeld en worden getest.

"We zijn erg blij dat we PIP-II hebben kunnen ontwerpen om aan de vereisten van het neutrino-programma te voldoen en tegelijkertijd flexibiliteit te bieden voor toekomstige ontwikkeling van het Fermilab-experimentele programma in een aantal richtingen, " zei Steve Holmes van Fermilab, voormalig PIP-II projectdirecteur.

Fermilab verwacht het project medio 2020 af te ronden, op tijd voor de opstart van LBNF/DUNE.

"Veel mensen hebben onvermoeibaar gewerkt om de beste machine te ontwerpen voor de wetenschap die we willen doen, "Zei Merminga. "De erkenning van hun uitstekende werk door middel van CD-1-goedkeuring is bemoedigend voor ons. We kijken ernaar uit om deze voorhoedeversneller te bouwen."