Wat heb je nodig om de meest intense straal neutrino's ter wereld te maken? Slechts een paar magneten en wat potloodstift. Maar niet je gebruikelijke huishoudelijke spullen. Ten slotte, dit is 's werelds meest intense hoogenergetische neutrinostraal, dus we hebben het over onderdelen van jumbo-formaat:magneten ter grootte van parkbanken en ultrazuivere staven grafiet zo groot als Danny DeVito.

Natuurkundige experimenten die de omvang van de menselijke kennis vergroten, werken meestal in de uitersten:de grootste en kleinste schalen, de hoogste intensiteiten. Alle drie zijn waar voor het internationale Deep Underground Neutrino Experiment, georganiseerd door het Fermilab van het Department of Energy. Het experiment brengt meer dan 1 000 mensen uit meer dan 30 landen om vragen aan te pakken die menig mens 's nachts wakker hebben gehouden:waarom is het universum vol materie en geen antimaterie, of maakt het helemaal niet uit? doen protonen, een van de bouwstenen van atomen (en van ons), ooit verval? Hoe ontstaan ​​zwarte gaten? En heb ik de kachel aan laten staan?

Misschien niet de laatste.

Om de grootste vragen aan te pakken, DUNE zal kijken naar mysterieuze subatomaire deeltjes genaamd neutrino's:neutraal, piekerige geesten die zelden interactie hebben met materie. Omdat neutrino's zo asociaal zijn, wetenschappers zullen enorme deeltjesdetectoren bouwen om ze te vangen en te bestuderen. Meer materie in de DUNE-detectoren betekent meer dingen voor neutrino's om mee te werken, en deze gigantische neutrinovallen zullen in totaal 70 bevatten, 000 ton vloeibare argon. Bij hun huis, 1,5 kilometer onder de rots in de Sanford Underground Research Facility in South Dakota, ze zullen worden beschermd tegen storende kosmische straling - hoewel neutrino's geen moeite zullen hebben om door die buffer te gaan en hun doel te bereiken. De detectoren kunnen neutrino's oppikken van exploderende sterren die zouden kunnen evolueren naar zwarte gaten en interacties vastleggen van een opzettelijk gerichte bundel neutrino's.

Neutrino's (en hun antimaterie-tegenhangers, antineutrino's) worden geboren als andere deeltjes vervallen, het wegdragen van kleine hoeveelheden energie om het kosmische grootboek in evenwicht te brengen. Je zult zien dat ze in drommen komen van sterren zoals onze zon, binnen de aarde, zelfs het kalium in bananen. Maar als je elke seconde biljoenen hoogenergetische neutrino's wilt maken en ze naar een deeltjesdetector diep onder de grond wilt sturen, je zou het moeilijk hebben om het te doen door fruit naar South Dakota te gooien.

Dat is waar het deeltjesversnellercomplex van Fermilab om de hoek komt kijken.

Fermilab stuurt deeltjes door een reeks versnellers, elk voegt een uitbarsting van snelheid en energie toe. De werkzaamheden voor een upgrade van het complex zijn gestart, inclusief een nieuwe lineaire versneller aan het begin van de reis:PIP-II. Dit is het eerste acceleratorproject in de Verenigde Staten met grote internationale bijdragen, en het zal deeltjes voortstuwen tot 84% van de snelheid van het licht terwijl ze reizen over de lengte van twee voetbalvelden. Deeltjes gaan dan de Booster Ring in voor nog een … nou ja, stimuleren, en ga ten slotte naar de hoofdinjector, De krachtigste versneller van Fermilab.

De twist? De deeltjesversnellers van Fermilab stuwen protonen voort - nuttige deeltjes, maar niet degene die neutrino-wetenschappers willen bestuderen.

Dus hoe zijn onderzoekers van plan om Fermilab's eerste megawatt-straal protonen om te zetten in de biljoenen hoogenergetische neutrino's die ze elke seconde nodig hebben voor DUNE? Dit vraagt ​​om wat extra infrastructuur:de Long-Baseline Neutrino Facility, of LBNF. Een lange basislijn betekent dat LBNF zijn neutrino's een lange afstand zal sturen - 1, 300 kilometer, van Fermilab tot Sanford Lab - en de neutrino-faciliteit betekent ... laten we wat neutrino's maken.

Stap 1:Pak wat protonen

De eerste stap is om deeltjes van de hoofdinjector af te zuigen, anders de cirkelvormige versneller zal meer als een draaimolen werken. Ingenieurs zullen een nieuwe bundellijn moeten bouwen en aansluiten. Dat is geen gemakkelijke prestatie, rekening houdend met alle nutsvoorzieningen, andere bundellijnen, en Main Injector magneten rond.

"Het is in een van de meest overbelaste gebieden van het Fermilab-versnellercomplex, " zei Elaine McCluskey, de LBNF-projectmanager bij Fermilab. Het voorbereidende werk op de site dat in 2019 bij Fermilab begint, zal een aantal van de hulpprogramma's uit de weg ruimen. Later, wanneer het tijd is voor de LBNF beamline constructie, het gaspedaalcomplex wordt tijdelijk uitgeschakeld.

Bemanningen zullen enkele van de magneten van de hoofdinjector veilig uit de weg halen en in de behuizing van de versneller slaan. Ze zullen een nieuw extractiegebied en een balkomhulling bouwen, installeer vervolgens de Main Injector-magneten met een nieuwe door Fermilab gebouwde toevoeging:kicker-magneten om de koers van de straal te veranderen. Ze zullen ook zelf de nieuwe LBNF-bundellijn bouwen, met behulp van 24 dipool- en 17 quadrupoolmagneten, de meeste zijn gebouwd door het Bhabha Atomic Research Center in India.

Stap 2:Richt

Neutrino's zijn lastige deeltjes. Omdat ze neutraal zijn, ze kunnen niet worden gestuurd door magnetische krachten op dezelfde manier als geladen deeltjes (zoals protonen). Zodra een neutrino is geboren, het blijft doorgaan in welke richting het ook ging, als een kind dat op 's werelds langste Slip 'N Slide rijdt. Deze eigenschap maakt neutrino's geweldige kosmische boodschappers, maar betekent een extra stap voor aardgebonden ingenieurs:richten.

Terwijl ze de LBNF-bundellijn bouwen, bemanningen zullen het langs de bocht van een 18 meter hoge heuvel draperen. Wanneer de protonen de heuvel afdalen, ze zullen worden gericht op de DUNE-detectoren in South Dakota. Zodra de neutrino's zijn geboren, ze zullen in dezelfde richting doorgaan, geen tunnel nodig.

Met alle magneten op hun plaats en alles goed verzegeld, versnelleroperators kunnen protonen langs de nieuwe bundellijn sturen, zoals het wisselen van een trein op een spoor. Maar in plaats van een station binnen te rijden, de deeltjes zullen op volle snelheid een doel tegemoet rennen.

Stap 3:Smash dingen

Het doelwit is een cruciaal stukje techniek. Terwijl het nog steeds wordt ontworpen, het is waarschijnlijk een 1,5 meter lange staaf van puur grafiet - denk aan je potloodstift op steroïden.

Samen met wat andere apparatuur, het zal in de doelhal zitten, een afgesloten ruimte gevuld met gasvormige stikstof. DUNE zal opstarten met een protonenbundel die zal draaien op meer dan 1 megawatt vermogen, en er zijn al plannen om de bundel te upgraden naar 2,4 megawatt. Bijna alles dat voor LBNF wordt gebouwd, is ontworpen om die hogere bundelintensiteit te weerstaan.

Vanwege het recordbrekende straalvermogen, om iets in de afgesloten hal te manipuleren, is waarschijnlijk de hulp nodig van enkele robotvrienden die van buiten de dikke muren worden bestuurd. Ingenieurs bij KEK, de onderzoeksorganisatie voor hoge-energieversnellers in Japan, werken aan prototypes voor elementen van het verzegelde ontwerp van de LBNF-doelhal.

De krachtige straal van protonen zal de doelhal binnenkomen en in het grafiet slaan zoals bowlingballen die pinnen raken, hun energie deponeren en een nevel van nieuwe deeltjes ontketenen - meestal pionen en kaonen.

"Deze doelwitten hebben een heel moeilijk leven, " zei Chris Densham, groepsleider voor high-power targets in het Rutherford Appleton Laboratory van STFC in het VK, die verantwoordelijk is voor het ontwerp en de productie van het doel voor de bundel van één megawatt. "Elke protonenpuls zorgt ervoor dat de temperatuur in een paar microseconden met een paar honderd graden stijgt."

Het LBNF-doel zal rond de 500 graden Celsius opereren in een soort Goudlokje-scenario. Grafiet presteert goed als het warm is, maar niet te warm dus ingenieurs zullen overtollige warmte moeten verwijderen. Maar ze kunnen het niet te koud laten worden, of. Water, die wordt gebruikt in sommige huidige doelontwerpen, zou te veel koeling geven, daarom ontwikkelen specialisten van RAL ook een nieuwe methode. Het huidige voorgestelde ontwerp circuleert gasvormig helium, die ongeveer 720 kilometer per uur zal bewegen - de snelheid van een kruisend vliegtuig - tegen de tijd dat het het systeem verlaat.

Stap 4:Focus het puin

Als protonen het doelwit raken en pionen en kaonen produceren, apparaten die focushoorns worden genoemd, nemen het over. De pionen en kaonen zijn elektrisch geladen, en deze gigantische magneten richten de spray terug in een gerichte straal. Een serie van drie hoorns die in Fermilab zal worden ontworpen en gebouwd, zal de deeltjespaden corrigeren en deze richten op de detectoren in Sanford Lab.

Om het ontwerp te laten werken, het doelwit - een cilindrische buis - moet in de eerste hoorn zitten, vanaf de stroomopwaartse zijde vrijdragend op zijn plaats. Dit zorgt voor een aantal interessante technische uitdagingen. Het komt neer op een balans tussen wat natuurkundigen willen - een langer doelwit dat langer in dienst kan blijven - met wat ingenieurs kunnen bouwen. Het doel is slechts een paar centimeter in diameter, en elke extra centimeter lengte maakt het meer kans om te zakken onder het spervuur ​​​​van protonen en de aantrekkingskracht van de zwaartekracht van de aarde.

Net als een spel Operatie, natuurkundigen willen niet dat het doelwit de zijkanten van de hoorn raakt.

Om het scherpstelveld te creëren, de metalen hoorns krijgen een 300, Een elektromagnetische puls van 000 ampère, ongeveer één keer per seconde, levert meer lading dan een krachtige bliksemschicht. Als je ernaast zou staan, je zou je vingers in je oren willen steken om het geluid te blokkeren - en je zou zeker niet willen dat iets de hoorns aanraakt, inclusief grafiet. Ingenieurs konden het doelwit van beide kanten ondersteunen, maar dat zou de onvermijdelijke verwijdering en vervanging veel gecompliceerder maken.

"Hoe eenvoudiger je het kunt maken, des te beter, "Zei Densham. "Er is altijd een verleiding om iets slims en ingewikkelds te maken, maar we willen het zo dom mogelijk maken, dus er kan minder fout gaan."

Stap 5:Natuurkunde gebeurt

Geconcentreerd in een straal, de pionen en kaonen verlaten de doelhal en reizen door een 200 meter lange tunnel vol helium. Zoals ze doen, ze vergaan, het baren van neutrino's en enkele deeltjesvrienden. Onderzoekers kunnen de hoorns ook verwisselen om deeltjes met de tegenovergestelde lading te focussen, die vervolgens zullen vervallen in antineutrino's. Afscherming aan het einde van de tunnel absorbeert de extra deeltjes, terwijl de neutrino's of antineutrino's voortvaren, onverstoorbaar, dwars door vuil en rots, op weg naar hun bestemming in South Dakota.

"LBNF is een complex project, met veel stukken die moeten samenwerken, " zei Jonathan Lewis, de LBNF Beamline projectmanager. "Het is de toekomst van het laboratorium, de toekomst van het veld in de Verenigde Staten, en een spannend en uitdagend project. Het vooruitzicht om de eigenschappen van neutrino's te ontdekken is opwindende wetenschap."

DUNE-wetenschappers zullen de neutrinostraal bij Fermilab onderzoeken net na de productie met behulp van een geavanceerde deeltjesdetector ter plaatse, precies in het pad van de straal geplaatst. De meeste neutrino's zullen recht door de detector gaan, zoals ze met alle materie doen. Maar een klein deel zal botsen met atomen in de DUNE near-site detector, het levert waardevolle informatie op over de samenstelling van de neutrinobundel en over hoogenergetische neutrino-interacties met materie.

Dan is het tijd om afscheid te nemen van de andere neutrino's. Wees er snel bij - hun 1, Een reis van 300 kilometer met bijna de lichtsnelheid duurt vier milliseconden, niet eens in de buurt van hoe lang het duurt om met je ogen te knipperen. Maar voor DUNE-wetenschappers, het werk zal pas beginnen.