Aan het eind van de jaren 2020, Fermilab zal beginnen met het sturen van 's werelds meest intense bundel neutrino's door de aardkorst naar detectoren in South Dakota voor het internationale Deep Underground Neutrino Experiment, of DUIN. Wanneer de nieuwe PIP-II deeltjesversneller online komt, een intense bundel protonen zal met de snelheid van het licht door een reeks ondergrondse versnellercomponenten reizen voordat ze door metalen ramen gaan en botsen met een stationair doelwit om de neutrino's te produceren. Onderzoekers zijn van plan de ramen te construeren uit een titaniumlegering en testen de vermoeidheidsweerstand van monsters die worden blootgesteld aan protonenstralen om te zien hoe goed ze zullen presteren in het nieuwe versnellercomplex.

Recht op het doel

Toen Fermilab-wetenschappers neutrino's wilden produceren voor DUNE, ze moeten ongelooflijk precies zijn. De PIP-II-versneller zal supergeleidende structuren en krachtige magneten gebruiken om snelle microseconden uitbarstingen van protonen te versnellen die zijn gefocust en in de goede richting worden gestuurd, gericht op de DUNE-detectoren in South Dakota, voordat ze het neutrino-producerende doelwit op de Fermilab-site inslaan.

Het doel - dat bestaat uit grafietstaven van ongeveer 1,5 meter in totale lengte - wordt gescheiden van de rest van de versneller in een vat gevuld met helium om de temperatuur laag te houden.

de protonen, reizen op hun maximale energie, het schip binnenkomen door een raam, raak dan de roos om een ​​cascade van snel rottende pionen te produceren - kortlevende subatomaire deeltjes - die door een tweede raam aan de achterkant naar buiten komen. In minder dan een seconde, de pionen zijn niet alleen vervallen tot neutrino's, maar die neutrino's - die bijna geen massa hebben en dicht bij de lichtsnelheid reizen - zullen hun bestemming in South Dakota hebben bereikt, een reis van 800 mijl.

Het ontwerpen van de doelarray is geen gemakkelijke taak, wat vooral geldt voor de ramen. Ze moeten het uithoudingsvermogen hebben om de krachtige protonenstraal en temperaturen van meer dan 200 graden Celsius te weerstaan, dit alles met behoud van voldoende structurele integriteit om drukverschillen over het raam te weerstaan. Niet alleen dat, maar ze moeten zo dun mogelijk worden gemaakt om de interactie met de protonenbundel te minimaliseren. Door deze extreme omstandigheden, gasklepramen zijn niet van glas, maar van metaal.

Terwijl metalen ramen niet veel licht in je huis zouden laten, ze vormen niet echt een barrière voor deeltjesbundels. Atomen bestaan ​​meestal uit lege ruimte, en hoogenergetische protonen reizen door de tussenruimten binnen en tussen de atomen van het venster met relatief weinig interactie.

Echter, de balken die door de ramen gaan zijn zeer energiek, en de kleine fractie protonen die wel terugkaatsen van kernen in de vensters, deponeert energie in de vorm van warmte en trillingsgolven, die het risico van scheuren van het materiaal met zich meebrengen en een grote bron van zorg zijn voor ingenieurs en natuurkundigen.

"Deze ramen moeten de warmte kunnen vasthouden die wordt gegenereerd door de straalinteractie, " zei Sujit Bidhar, postdoctoraal onderzoeksmedewerker van Fermilab.

Al deze verwarming en koeling zorgt ervoor dat de balkvensters snel samentrekken en uitzetten.

"Het doelmateriaal zet binnen 10 microseconden uit, ' zei Bidhar. 'Maar het omringende materiaal zet niet uit, omdat het niet direct in wisselwerking staat met de straal. Dit veroorzaakt een soort hamerend effect, die we stressgolven noemen."

De golven in het materiaal zijn analoog aan een persoon die in een zwembad zwemt; bewegen door het water creëert soortgelijke golven die zich naar de rand zouden verspreiden en terugkaatsen naar hun punt van oorsprong. Als de zwemmer extra energie zou toevoegen door een kanonskogel in het water te doen, de golf zou in amplitude toenemen en zou over de zijkant kunnen stromen.

Omdat doelvensters in versnellers solide zijn, echter, sterke golven die er doorheen gaan, verzwakken het materiaal in de loop van de tijd door een proces dat vermoeidheid wordt genoemd, en in plaats van over de rand van een zwembad te kunnen spetteren, de geïnduceerde spanning zal er uiteindelijk toe leiden dat de array breekt. Het is niet de vraag of, maar wanneer.

De volgende grote doorbraak voorspellen

Natuurkundigen hebben er alle belang bij om precies te weten hoe lang elk onderdeel van een versneller naar verwachting zal meegaan. Onverwachte apparatuurstoringen kunnen leiden tot lange vertragingen en tegenslagen.

Veel deeltjesversnellers gebruiken doelvensters van beryllium, een zeldzaam soort lichtgewicht metaal dat, tot nu toe, heeft de beste resultaten laten zien dankzij zijn uitzonderlijke duurzaamheid. Maar natuurkundigen en ingenieurs zijn voortdurend op zoek naar manieren om te innoveren, en degenen die doelvensters voor DUNE ontwikkelen, onderzoeken titaniumlegeringen, die eigenschappen kunnen hebben waardoor ze beter stand kunnen houden dan hun beryllium-tegenhangers.

"Titanium heeft een hoge specifieke sterkte en een hoge weerstand tegen vermoeiingsstress en corrosie, " zei Kavin Ammigan, een senior ingenieur bij Fermilab. "We testen om te zien hoe deze kritische eigenschappen veranderen wanneer titanium wordt blootgesteld aan protonenstralen."

Titaniumlegeringen worden al meer dan tien jaar gebruikt in het Japan Proton Accelerator Research Complex - bekend als J-PARC - met veelbelovende resultaten. Met Fermilab's PIP-II-upgrade, het laboratoriumversnellercomplex zal een bundel met veel hogere intensiteit versnellen dan nu het geval is. Om te voorspellen hoe lang titanium ramen meegaan bij Fermilab, onderzoekers moesten monsters testen met vergelijkbare bundelenergieën.

Titaniummoeheidsmonsters die door onderzoekers van J-PARC waren geleverd, werden naar Fermilab gestuurd, waar hun mechanische eigenschappen werden getest. De monsters werden vervolgens in de loop van acht weken geteisterd door een intense straal protonen in het Brookhaven National Laboratory, waarna ze werden teruggebracht naar Fermilab voor nog een testronde om precies te bepalen hoe de eigenschappen van de legering in de loop van de tijd waren veranderd en afgebroken. Door zowel voor als na te zijn gebombardeerd door protonenbundels, onderzoekers kunnen ruwweg voorspellen hoe lang ramen gemaakt van titanium naar verwachting meegaan in de verbeterde accelerator.

De gegevens die door het project worden gegenereerd, zullen niet alleen nuttig zijn voor Fermilab en de PIP-II-upgrade, maar ook voor andere instellingen en toekomstige versnellers. De J-PARC-versnellerfaciliteit, bijvoorbeeld, heeft plannen om de intensiteit van zijn deeltjesbundel te vergroten en zal de resultaten van het huidige onderzoek kunnen gebruiken om de levensduur van het titanium doelvenster te voorspellen.

Met deze informatie in de hand, Fermilab-onderzoekers zullen hun beam-apparaten proactief kunnen beheren. Titanium ramen zullen worden verwijderd voor het einde van hun verwachte levensduur en worden vervangen door verse, onvermoeibare ramen.

Amigo, Bidhar en Fermilab-collega's hebben hun eerste batch metingen van titaniumlegeringen voltooid en zijn van plan om over een paar maanden een tweede batch te voltooien, waarna ze van plan zijn hun resultaten te publiceren.