Voor Mu2e, er was MECO.

wetenschappers, onderzoekers, en ingenieurs waren extatisch. Ze probeerden al bijna twintig jaar het Muon-naar-elektronenconversie-experiment uit te voeren op twee continenten, en nu zou het eindelijk worden gebouwd in Brookhaven National Laboratory.

Onverschrokken toen het project in 2005 werd stopgezet, ze hebben hun plannen en ontwerpen aangepast om dit baanbrekende experiment uit te voeren in het Fermi National Accelerator Laboratory in Batavia, Illinois.

Het muon enigma

Mu2e probeert een mysterie op te lossen dat zowel experimentatoren als theoretici in verwarring heeft gebracht sinds de ontdekking van het muon in 1936:wetenschappers hebben nog nooit een muon zien transformeren in zijn lichtere neef, het elektron, zonder ook andere deeltjes uit te stoten.

Waarneming van directe muon-naar-elektron conversie "zou onmiskenbaar bewijs leveren van fysica die verder gaat dan het standaardmodel, " zei experiment mede-woordvoerder Jim Miller, een wetenschapper aan de Boston University.

elektronen, muonen en taus zijn smaken van deeltjes die leptonen worden genoemd. Net als aardbei, chocolade en vanille-ijs kunnen niet in elkaar overgaan, ondanks dat het smaken van Napolitaans ijs is, muonen worden schijnbaar verhinderd om direct in elektronen om te zetten.

Een dergelijk conversieproces één keer meten, laat staan ​​meerdere keren in de loop van een experiment, is geen gemakkelijke prestatie. Om het muon-naar-elektron conversiesignaal te observeren, Mu2e zal ongeveer 10 zijn, 000 keer krachtiger dan het SINDRUM II-experiment, die in 2000 klaar was met het verzamelen van gegevens en het laatste experiment was om te zoeken naar directe muon-naar-elektron-conversie.

Als slechts één op de 100 miljoen miljard (10 ¹⁷ ) muonen transformeren in een elektron, Mu2e zal het zien.

Pionen produceren:het verhaal van een doelwit

Voordat dit kan gebeuren, natuurkundigen hebben pionen nodig.

Het productiedoel, een zorgvuldig gevormd materiaal dat een deeltjesstraal onderschept, neemt die cruciale maar moeilijke taak op zich. Wanneer een bundel protonen het vaste productiedoel raakt, pionen komen alle kanten op en vervallen vrijwel onmiddellijk tot muonen, die door andere componenten van het experiment naar beneden spiraalsgewijs naar een detector gaan, waaruit ze (hopelijk) tevoorschijn komen als elektronen.

Mu2e-componenten zijn gemaakt met zo min mogelijk materiaal omdat de interacties van deeltjes toenemen met de hoeveelheid materiaal in het experiment, interfereren met het signaal dat onderzoekers hopen te observeren. Dit stelde het ontwerpteam van de productiedoelgroep voor unieke uitdagingen.

Wonend in een vacuümkamer in een supergeleidende cilindrische magneet, de productiedoelstelling is onderhevig aan extreme omstandigheden. Elke seconde slaat een protonenstraal tegen het doel, waardoor de temperatuur stijgt tot ongeveer 1, 700 graden Celsius (3, 092 graden Fahrenheit), de temperatuur die wordt ervaren door de heetste delen van een NASA-spaceshuttle die de atmosfeer van de aarde opnieuw binnengaat.

Onderzoekers realiseerden zich al snel dat hun oorspronkelijke ontwerp, een overblijfsel van het MECO-experiment, duur was. Te duur. Een gouden staaf gevat in een titanium jasje, dit doel moest worden gekoeld met circulerend water via een uitgebreid systeem van waterpompen, sproeiers en andere infrastructuur.

"Dat was toen enkele van onze collega's erop wezen dat we het doelwit misschien helemaal niet actief hoeven te koelen, " zei Steve Werkema, accelerator upgrade manager voor Mu2e.

Twee aanpassingen:overschakelen naar een doel dat zelf warmte afgeeft, een stralingsgekoeld doelwit genoemd, en het verminderen van het bundelvermogen van 25 kilowatt naar 8 kilowatt - niet alleen geld bespaard en vereenvoudigde infrastructuur, maar ook minder veiligheidsproblemen.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers hadden een nieuw productiedoel nodig. Voor het doelmateriaal ze wendden zich tot een deel van het periodiek systeem dat bekend staat als de vuurvaste metalen. Vuurvaste metalen zijn voordelig in experimenten zoals Mu2e omdat ze een hoog smeltpunt hebben en wars zijn van corrosie, zelfs bij hoge temperaturen.

De onderzoekers kozen uiteindelijk voor wolfraam, een zware, dicht metaal dat bestand is tegen hoge temperaturen en bruut beuken door bundels protonenbundels. Dit besloot, het was terug naar de tekentafel, letterlijk.

Herzien, herzien en herhalen

Het eerste Mu2e wolfraam doelwit zag eruit als een dik, lang potlood. Zes millimeter (ongeveer 0,25 inch) in diameter en 160 millimeter (iets meer dan 6 inch) lang, de wolfraamstaaf produceerde veel pionen.

Het probleem? Er was geen manier om deze structuur in vacuüm te ondersteunen.

Om dit raadsel op te lossen, onderzoekers bevestigden onderdelen die eruitzien als megafoons aan beide uiteinden van de staaf. Spaghetti-achtige spaken hangen deze componenten op in een fietsringstructuur die het doelwit vastzet en een robotarm helpt bij het verwijderen en weggooien van het doelwit.

"Toen begonnen we problemen te ontdekken die we moesten overwinnen, een voor een, ' zei Werkema.

Het eerste probleem dat ze tegenkwamen was corrosie.

Gewoonlijk, wolfraam is corrosiebestendig, maar studies toonden aan dat zelfs het kleinste beetje zuurstof in de vacuümkamer problemen veroorzaakt bij Mu2e-temperaturen en -drukken.

"Zie het als je auto. Spatborden roesten en je krijgt van die grote stukjes roest die eraf vallen, en al snel heb je geen spatbord meer, " zei Dave Pushka, lead production target engineer bij Fermilab.

Het productiedoel zou zo snel corroderen dat het geen jaar zou duren. Onderzoekers verbeterden de vacuümkamer om dit effect te verminderen. Hoewel ze nog steeds enige vorming van wolfraamoxide verwachten, het zou niet genoeg moeten zijn om het doelwit snel te laten mislukken.

De onderzoekers vroegen zich toen af:hoe lang zou een protonenstraal het doelwit kunnen bombarderen voordat het faalde door stress en vermoeidheid? Bij een belangrijke mijlpaal Onderzoekers van het Rutherford Appleton Laboratory in Engeland ontwikkelden een prototype doelwit en raakten het met een elektrische puls totdat het faalde. Ze concludeerden dat, tenminste vanuit die faalmodus, het doel zou meer dan een jaar duren.

De derde uitdaging was temperatuur. Onderzoekers waren bang dat het doelwit tijdens een picknick in juli zou vervormen als een stuk boter voordat het zijn voorgeschreven levensduur bereikte (ongeveer 43 weken straaltijd).

Terwijl protonen het productiedoel bereiken, kinetische energie wordt warmte, waardoor het doelwit naar buiten uitzet en in het midden doorzakt. Deze instabiliteit veroorzaakt nog meer verzakking, terwijl de spaken die het doelwit ondersteunen de uiteinden samentrekken, meer kracht zetten aan beide uiteinden en het doel verder laten zakken.

Mensen aan beide kanten van de Atlantische Oceaan werkten in vriendschappelijke competitie om het beste doelwitmodel te ontwikkelen. uiteindelijk, verschillende ontwerpelementen, zoals veren die de spaken verbinden met de fietsring, werden geïntroduceerd om vermoeidheid en doelverzakking tegen te gaan.

In de huidige versie, het doel lijkt nog steeds erg op een ongeslepen potlood. Het is grijs, relatief zwaar, en 200 millimeter (bijna 8 inch) lang, met cilindrische ringen aan elk uiteinde, vinnen die de warmte van de doelkern afvoeren en beschermen tegen doorzakken en lege ruimte die segmenten van de centrale staaf scheiden.

de vinnen, waardoor het doelwit vanaf de uiteinden op een ster lijkt, vereisen finesse om te functioneren zoals bedoeld onder de harde protonenstraal.

"Als je meer vinnen toevoegt, het oppervlak van een vin ziet geen koelere temperaturen. Het ziet in plaats daarvan een andere vin bij dezelfde hete temperatuur. Dit betekent dat er een afnemend rendement is in termen van vinstructuur en aantal en warmteafvoer, ' zei Pushka.

Mu2e-projectmanager Ron Ray van Fermilab suggereerde dat het segmenteren van de kern van het doelwit dit temperatuurafhankelijke probleem zou kunnen verbeteren. De onderzoekers hebben ontdekt dat het introduceren van spaties tussen korte, cilindrische segmenten van wolfraam stellen hen in staat om de temperatuur langs het doel nauwkeurig af te stemmen.

De poortwachters van een optimaal doelontwerp

In de tussentijd, drie teams van ingenieurs werken aan het elimineren van zoveel mogelijk verrassingen bij beam-on.

"Het productiedoelteam wil weten wat er gebeurt bij elke wijziging aan het doel of de straal, " zei Kevin Lynch, hoogleraar natuurkunde aan het York College van de City University van New York en lid van het Mu2e-productiedoelontwerpteam. "Onze modellen volgen alles, van pionproductie tot muon-naar-elektron-conversies tot de manier waarop energie zich tijdens het experiment ophoopt in componenten."

Deze onafhankelijke berekeningen, uitgevoerd door Lynch's team bij York College en Bob Bernstein's team bij Fermilab, zijn waar senior engineer Ingrid Fang mee werkt.

Hoektand, die al meer dan twee decennia bij Fermilab werkt, past Lynch's berekeningen toe op de geometrie geleverd door Pushka, zet het model op, en lost stress en temperatuur op elk punt in het doel op. De simulaties zijn zo complex dat een supercomputer drie of meer dagen nodig heeft om de miljoenen vergelijkingen op te lossen.

"We moeten die goede plek vinden tussen temperatuur en muonopbrengst, ' zei Fang.

Het is het resultaat van Fang dat wordt bestudeerd door wetenschappers, onderzoekers en ingenieurs. Het is het resultaat van Fang dat beslissingen maakt of breekt. Het is het resultaat van Fang dat uiteindelijk bepaalt of het productiedoel naar de bouw gaat of teruggaat naar het ontwerp.

"Nutsvoorzieningen, het is de grote finale, " Fang zegt over het huidige ontwerp. "We hebben het doelwit gecombineerd met zijn ondersteunende structuur en alle lasten, inclusief straalpulsen, stralingsbelasting, zwaartekracht, en voorspanning op de bouten waarmee het systeem is bevestigd, in het model, en de resultaten zien er veelbelovend uit."

Een doel bouwen 101

Onderzoekers weten dat het leven in het lab vol ups en downs is, knutselen en reviseren. Wat oorspronkelijk begon als een goud, watergekoelde hengel is geëvolueerd naar een gesegmenteerde en vinnen, stralingsgekoeld, wolfraamapparaat dat voldoet aan de projectdoelen. wetenschappers, onderzoekers, ingenieurs en analisten hebben in de loop der jaren meer dan 35 doelontwerpen bekeken.

De onderzoekers blijven onverschrokken omdat ze nu voor de nieuwste uitdaging staan:het daadwerkelijk bouwen van het productiedoel.

"Wolfraam is moeilijk te bewerken. Je kunt het niet snijden met een draaibank. Je kunt het niet zagen. Het moet worden geslepen of machinaal bewerkt met elektrodeontlading, " zei Pushka. Hij merkt op dat er in de omgeving van Chicagoland minstens drie of vier aannemers zijn, en meer daarbuiten, wie dit ingewikkelde werk kan doen.

Werkema en Pushka schatten dat het doel 12 weken nodig heeft om te vervaardigen en nog eens 12 weken om te monteren en uit te lijnen met de straal. Vervolgens, nadat de bouw van Mu2e in 2022 is voltooid, er is nog een jaar van opstelling, metingen en kalibratie vereist voordat het experiment in 2023 begint.

"Dat lijkt nog ver weg, maar het lijkt helemaal geen tijd als je bedenkt dat de eerste ontwerpen eind jaren negentig werden gemaakt. Direct, het voelt alsof we klaar zijn omdat we al deze technische en ontwerpuitdagingen hebben overwonnen, en nu verschijnen er nieuwe dingen en worden ze elke week geïnstalleerd. Je kunt de voortgang echt zien, ', zegt Werkema.

"Ik heb bij Fermilab aan veel experimenten gewerkt, " zei Pushka. "Mu2e is de moeilijkste, moeilijkste experiment waar ik ooit aan heb gewerkt en, I denk, die we ooit hebben geprobeerd te trekken. Het is extreem moeilijk vanuit het oogpunt van wetenschap en techniek."

Het lijkt erop dat de onderzoekers, voor nu, zijn op schema om nieuwe fysica te ontdekken via Mu2e.