Sigter mod et mål:videnskaben om partikelproduktion

For nogle, et mål er en del af et spil dart. For andre, det er en detailkæde. I partikelfysik, det er stedet for en intens, komplekst miljø, der spiller en afgørende rolle i at generere universets mindste komponenter, som videnskabsmænd kan studere.

Målet er en ubesunget spiller i partikelfysiske eksperimenter, tager ofte et bagsæde for at stjæle scener med lyshastighedspartikelstråler og gigantiske partikeldetektorer. Alligevel ville mange eksperimenter ikke eksistere uden et mål. Og, tag ikke fejl, et mål, der holder sig, er en værdifuld spiller.

Forskere og ingeniører hos Fermilab undersøger i øjeblikket mål for studiet af neutrinoer - mystiske partikler, der kan holde nøglen til universets udvikling.

Intense interaktioner

Det typiske partikelfysikeksperiment er sat op på en af ​​to måder. Først og fremmest, to energiske partikelstråler støder ind i hinanden, generere en byge af andre partikler, som videnskabsmænd kan studere.

I den anden, partikelstrålen rammer en stationær, fast materiale - målet. I denne opsætning med faste mål, det kraftfulde møde frembringer partikelbruseren.

Som stødpude for intense stråler, et mål kræver en hårdfør konstitution. Den skal modstå gentagne angreb fra højeffektstråler og holde sig under varme temperaturer.

Du tror måske, at som trofaste spillere i spillet om partikelproduktion, mål ville ligne en fæstningsmur (eller måske forestillede du dig dartskive). Men mål antager forskellige former - lange og tynde, omfangsrig og bred. De er også lavet af forskellige materialer, afhængig af hvilken slags partikel man ønsker at lave. De kan være lavet af metal, vand eller endda specialdesignede nanofibre.

I et eksperiment med faste mål, strålen - sig, en protonstråle – løber mod målet, slående det. Protoner i strålen interagerer med målmaterialets kerner, og de resulterende partikler skyder væk fra målet i alle retninger. Magneter tragter og holder derefter nogle af disse nyfødte partikler til en detektor, hvor videnskabsmænd måler deres grundlæggende egenskaber.

Partikelfødestedet

De partikler, der kommer ud fra stråle-mål-interaktionen, afhænger i høj grad af målmaterialet. Overvej Fermilab neutrino eksperimenter.

I disse forsøg, efter at protonerne rammer målet, nogle af partiklerne i den efterfølgende partikelbruser henfalder - eller omdannes - til neutrinoer.

Målet skal være lavet af det helt rigtige stof.

"Mål er afgørende for partikelfysisk forskning, " sagde Fermilab videnskabsmand Bob Zwaska. "De giver os mulighed for at skabe alle disse nye partikler, såsom neutrinoer, at vi gerne vil studere."

Grafit er et guldlok materiale til neutrinomål. Hvis den holdes ved den rigtige temperatur, mens den er i protonstrålen, grafitten genererer partikler med den helt rigtige energi til at kunne henfalde til neutrinoer.

For neutronmål, som den ved Spallation Neutron Source ved Oak Ridge National Laboratory, tungere metaller såsom kviksølv bruges i stedet.

Maksimal interaktion er målet for et måls design. Målet for Fermilabs NOvA neutrino eksperiment, for eksempel, er en lige række - omtrent på længden af ​​dit ben - af grafitfinner, der ligner høje dominobrikker. Protonstrålen løber ned ad sin akse, og hvert møde med en finne frembringer en interaktion. Målets tynde form sikrer, at få af de partikler, der skyder af efter kollision, reabsorberes tilbage i målet.

Partikelmål, modstå

"Så længe forskerne har de partikler, de har brug for at studere, de er glade. Men ned ad linjen, nogle gange bliver målene beskadiget, " sagde Fermilab-ingeniør Patrick Hurh. I sådanne tilfælde, ingeniører er nødt til at skrue ned - eller lejlighedsvis slukke - for stråleeffekten. "Hvis strålen ikke har fuld kapacitet eller er slukket, vi producerer ikke så mange partikler, som vi kan til videnskaben."

Jo flere protoner, der er pakket ind i strålen, jo flere interaktioner de har med målet, og jo flere partikler, der produceres til forskning. Så mål skal være i tip-top form så meget som muligt. Dette betyder normalt, at du skal udskifte mål, når de bliver slidt, men ingeniører udforsker altid måder at forbedre målmodstanden på, uanset om det er gennem design eller materiale.

Overvej hvilke mål der er op imod. Det er ikke kun højenergikollisioner - den slags interaktioner, der producerer partikler til undersøgelse - at mål udholdes.

Lavere energi interaktioner kan have langsigtede, negative indvirkninger på et mål, opbygning af varmeenergi inde i den. Når målmaterialet stiger i temperatur, det bliver mere sårbart over for revner. Udvidende varme områder hamrer mod kølige områder, skabe bølger af energi, der destabiliserer dens struktur.

Nogle af kollisionerne i en højenergistråle kan også skabe letvægtselementer som brint eller helium. Disse gasser opbygges over tid, skabe bobler og gøre målet mindre modstandsdygtigt over for skader.

En proton fra strålen kan endda slå et helt atom af, forstyrrer målets krystalstruktur og får det til at miste holdbarhed.

Klart, at være et mål er ingen picnic, så videnskabsmænd og ingeniører forbedrer altid målene for bedre at kunne rulle med et slag.

For eksempel, grafit, brugt i Fermilabs neutrinoeksperimenter, er modstandsdygtig over for termisk belastning. Og, da den er porøs, opbyggede gasser, der normalt kan kile sig ind mellem atomer og forstyrre deres arrangement, kan i stedet migrere til åbne områder i atomstrukturen. Grafitten er i stand til at forblive stabil og modstå bølgerne af energi fra protonstrålen.

Ingeniører finder også måder at opretholde en konstant måltemperatur. De designer det, så det er nemt at holde køligt, at integrere yderligere køleinstrumenter i måldesignet. For eksempel, eksterne vandrør hjælper med at afkøle målet for Fermilabs NOvA neutrino eksperiment.

Mål for intense neutrinostråler

Hos Fermilab, forskere og ingeniører tester også nye designs for, hvad der vil være laboratoriets mest kraftfulde protonstråle - strålen til laboratoriets flagskib Long-Baseline Neutrino Facility og Deep Underground Neutrino Experiment, kendt som LBNF/DUNE.

LBNF/DUNE er planlagt til at begynde driften i 2020'erne. Eksperimentet kræver en intens stråle af neutrinoer med høj energi - den mest intense i verden. Kun den kraftigste protonstråle kan give anledning til de mængder af neutrinoer LBNF/DUNE har brug for.

Forskere er i øjeblikket i de tidlige teststadier for LBNF/DUNE-mål, undersøge materialer, der kan modstå højeffektprotonerne. I øjeblikket er beryllium og grafit i gang, som de strækker til dets grænser. Når de endeligt har afgjort, hvilket materiale der kommer øverst, de vil gå til design prototyping fase. Indtil nu, de fleste af deres test peger på grafit som det bedste valg.

Målene vil fortsætte med at udvikle sig og tilpasse sig. LBNF/DUNE giver blot ét eksempel på næste generations mål.

"Vores forskning vejleder ikke kun designet til LBNF/DUNE, " sagde Hurh. "Det er for videnskaben selv. Der vil altid være forskellige og kraftigere partikelstråler, og målene vil udvikle sig for at klare udfordringen."