Het was een nachtelijke roadtrip van drie uur die een einde maakte aan een reis die zeven jaar geleden was begonnen.

Vrijdag van ongeveer 12.30-3 uur, 16 aug. het eerste grote supergeleidende deel van een deeltjesversneller die het grootste neutrino-experiment ter wereld zal aandrijven, baande zich een weg langs een reeks Chicagoland-wegen met een opzettelijke 10 mijl per uur.

Gesleept op een speciale koets die speciaal is gemaakt voor zijn reis van 25 mijl, om 03.07 uur trok de constructie van negen ton zijn permanente woning binnen in het Fermilab van het Department of Energy. Het kwam van het nabijgelegen Argonne National Laboratory, ook een DOE nationaal laboratorium.

Het hightech onderdeel is de eerste voltooide cryomodule voor de PIP-II deeltjesversneller, een krachtige machine die het hart van Fermilab's acceleratorcomplex zal worden. De versneller genereert krachtige bundels van protonen, die op zijn beurt de krachtigste neutrinostraal ter wereld zal produceren, voor het internationale Deep Underground Neutrino Experiment, gehost door Fermilab en zorgt voor de toekomst op lange termijn van het Fermilab-onderzoeksprogramma.

PIP-II is het eerste deeltjesversnellerproject in de Verenigde Staten met een aanzienlijke internationale bijdrage, met holtes en cryomodules gebouwd in Frankrijk, Indië, Italië, het Verenigd Koninkrijk en de Verenigde Staten.

De cryomodule-inspanning bij Argonne begon in 2012. Wetenschappers en ingenieurs in Argonne leidden het ontwerp, werken met een Fermilab-team. De Argonne-groep bouwde ook de cryomodule, zijn subcomponenten getest en geassembleerd, het ontwikkelen van een ontwerp dat wordt gebruikt in een van Argonne's deeltjesversnellers.

En nu is het zover.

"Er is een diepgaande betekenis in de komst van de eerste PIP-II cryomodule:het luidt een nieuw tijdperk in voor het Fermilab-versnellercomplex, het tijdperk van supergeleidende radiofrequentieversnelling, " zei Fermilab PIP-II-projectdirecteur Lia Merminga.

De blauwdruk van de PIP-II-versneller

Een cryomodule is de belangrijkste eenheid van een deeltjesversneller. Als de wagons van een trein, cryomodules worden end-to-end aan elkaar gekoppeld. De PIP-II lineaire versneller zal 23 van hen omvatten, opgeteld tot ongeveer 200 meter, bijna-lichtsnelheid startbaan voor krachtige protonen.

Zeer krachtige protonen. De nieuwe versneller zal een protonenbundel van 1,2 megawatt mogelijk maken voor de experimenten van het laboratorium. Dat is 60% meer vermogen dan de huidige versnellingsketen van het lab kan leveren.

En het is één cryomodule tegelijk in elkaar gezet. Elk herbergt een reeks supergeleidende versnellingsholten. Deze glanzende metalen buizen geven energie aan de straal, en ook zij zijn end-to-end geplaatst. Terwijl de protonenbundel door de ene holte na de andere schiet, het neemt energie op, dankzij de elektromagnetische velden in de holtes, het voortstuwen van de straal.

Tegen de tijd dat de straal de laatste holte van de laatste PIP-II cryomodule verlaat, het zal 800 miljoen elektronvolt aan energie hebben gewonnen en reizen met 84% van de snelheid van het licht.

Dan is het echt naar de races:nadat de straal de PIP-II linac verlaat, het zal een van een aantal paden volgen, die door Fermilab's acceleratoren stormde en uiteindelijk tegen een blok materiaal botste. De resulterende regen van deeltjes zal worden gesorteerd en naar verschillende experimenten worden geleid, waar wetenschappers deze stukjes materie bestuderen om beter te begrijpen hoe ons universum op het meest fundamentele niveau werkt.

De toename van 60% in PIP-II-vermogen - met het potentieel om op een later tijdstip het vermogen tot het multimegawatt-bereik te vergroten - zal wetenschappers meer deeltjes opleveren om te bestuderen, het pad naar ontdekking versnellen.

De PIP-II-versneller zal naar verwachting in 2026 worden geïntegreerd in het Fermilab-versnellercomplex.

Op de halve golf rijden

De door Argonne ontworpen PIP-II cryomodule bevat acht versnellende holtes die eruitzien als grote ballonstrikjes. Ze zijn een speciaal type, halfgolfresonatoren genoemd. ("Halve golf, " omdat het profiel van het elektromagnetische veld erin lijkt op de helft van een staande golf.)

De halfgolf-resonator-cryomodule zal de eerste zijn in de rij van 23 en de enige in zijn soort bij PIP-II.

De taak van de halfgolf-resonator-cryomodule is om de straal bijna aan de gang te krijgen zodra deze uit de poort komt, van 2 tot 10 miljoen elektronvolt. Elke cryomodule daarna neemt zijn beurt om de straal op te voeren tot zijn uiteindelijke energie van 800 miljoen elektronvolt.

Het ontwerp is gebaseerd op die gebruikt in Argonne's ATLAS deeltjesversneller, die zware ionen versnelt voor kernfysisch onderzoek.

De PIP-II-versie bevat enkele verbeteringen. Voor een, de prestaties van de holte zijn van topklasse, dankzij de vooruitgang in de acceleratietechnologie. De holtes zijn gemaakt van supergeleidend niobium. Verfijningen in het afgelopen decennium in zowel niobiumbehandeling als holteproductie hebben het voor PIP-II-holtes mogelijk gemaakt om de straal over kortere afstanden naar hogere energieën te schoppen in vergelijking met ATLAS en andere vergelijkbare holtes. Ze zijn ook energiezuiniger.

"We zijn trots op de holtes die we hebben gebouwd en hun prestaties, " zei Argonne-fysicus Zack Conway, die de inspanning leidde om de holtes te bouwen. "Ze zijn echt wereldleider."

De cryomodule houdt de holtes op een koele 2 kelvin, of min 270 graden Celsius. Niobium supergeleidt bij 9,2 K, maar de prestaties stijgen bij 2 K. Geavanceerde cryogene technologie (de "cryo" in de cryomodule) zorgt ervoor dat de PIP-II-holtes hun koude temperatuur behouden.

Het resultaat is een high-performance voertuig voor beam.

"Het was goed om samen te werken met een van onze zusterlaboratoria, " zei Fermilab-wetenschapper Joe Ozelis, die toezicht houdt op het cryomodule-project. "Dit model van samenwerking met onze partners is de sleutel tot het aanhoudende toekomstige succes van PIP-II. Het is verheugend om nu te weten dat het inderdaad kan werken."

Tijd om te testen

De recent aangekomen cryomodule heeft nog een lange weg te gaan voordat deze permanent zal worden geïnstalleerd als onderdeel van de PIP-II lineaire versneller. Voor de komende maanden, De PIP-II-groep van Fermilab zal een reeks tests uitvoeren om er zeker van te zijn dat het aan de specificaties voldoet. Vervolgens, volgend jaar, een Fermilab-groep zal het testen met straal, de cryomodule op de proef stellen.

"Het eerste van iets in een project als dit is altijd spannend, maar er is meer aan de hand voor mij persoonlijk, " zei Genfa Wu, Fermilab-fysicus en een PIP-II SRF en cryogene systeembeheerder. "Dit is de eerste supergeleidende cryomodule met een lage bèta die ik in mijn professionele ervaring mag testen."

Het is ook een eerste doorloop voor de PIP-II cryomodule-samenwerking in het algemeen. Tweeëntwintig cryomodules moeten nog worden gebouwd en getest bij Fermilab, waarvan 15 van buiten de Verenigde Staten zullen aankomen, inclusief een prototype.

"PIP-II is een internationale samenwerking, " zei Wu. "We werken actief samen met onze internationale partners om ervoor te zorgen dat alle cryomodules samenwerken."

Partners in mondiale wetenschap

De internationaliteit van PIP-II weerspiegelt het grootste experiment dat het zal aandrijven, het Deep Underground Neutrino-experiment, ondersteund door de Long-Baseline Neutrino Facility in Fermilab. Het vlaggenschip-wetenschappelijk project heeft tot doel de mysteries van neutrino's te ontrafelen, subtiele deeltjes die de afdruk van het begin van het universum kunnen dragen.

Protonen van de PIP-II-bundel zullen een bundel neutrino's produceren, die 800 mijl dwars door de aardkorst zal worden gestuurd van Fermilab naar deeltjesdetectoren die zich een mijl onder de grond bevinden in de Sanford Underground Research Facility in South Dakota. Wetenschappers van DUNE gaan onderzoeken hoe de neutrino's over die lange afstand veranderen. Hun bevindingen zijn bedoeld om ons te vertellen waarom we leven in een universum dat wordt gedomineerd door materie.

meer dan 1, 000 wetenschappers uit tientallen landen nemen deel aan LBNF/DUNE, die medio 2020 van start gaat. Het is een wereldwijd project met de bijbehorende ambitieuze onderzoeksdoelen. En vier van de internationale LBNF/DUNE-partners dragen ook bij aan PIP-II. Voor de Verenigde Staten, het internationale karakter van het PIP-II-project is een nieuwe manier om grote acceleratorprojecten te bouwen.

"De halfgolf-resonator-cryomodule is een geweldig voorbeeld van hoe DOE-labs samenwerken om grote projecten uit te voeren met technologische vaardigheden die geen enkel laboratorium alleen heeft, "Zei Merminga. "Door gebruik te maken van Argonne's ervaring in halfgolfresonatortechnologie, Fermilab zet een grote stap in het realiseren van zijn toekomst en maakt de weg vrij voor nog meer samenwerking. Precies hetzelfde principe is van toepassing op onze internationale partnerschappen, waardoor PIP-II een zeer krachtig nieuw paradigma wordt voor toekomstige versnellerprojecten."

En in sommige opzichten, het begint allemaal samen te komen als een vrachtwagen met een enorme, hightech metalen container rolt midden in de nacht door een straat.

"De samenwerking tussen is erg soepel verlopen, van ontwerp tot fabricage, ' zei Conway. 'Dat was geweldig.'

Het betaalt dividenden in andere dimensies, te.

"We hebben hier zoveel van geleerd voor toekomstige samenwerkingen, en die lessen zullen van vitaal belang zijn voor het linac-project als geheel, " zei Ozelis. "Dit is meer dan institutioneel. Het is ook een menselijke onderneming."