Fermilab gør sig klar til at opgradere acceleratorkomplekset til mere kraftfulde partikelstråler

Fermilabs acceleratorkompleks har opnået en stor milepæl:Det amerikanske energiministerium godkendte formelt Fermi National Accelerator Laboratory til at fortsætte med sit design af PIP-II, et acceleratoropgraderingsprojekt, der vil give øget strålekraft til at generere en hidtil uset strøm af neutrinoer – subatomære partikler, der kan låse op for vores forståelse af universet – og muliggøre et bredt program for fysikforskning i mange år fremover.

PIP-II (Proton Improvement Plan II) acceleratoropgraderingerne er en integreret del af det Fermilab-hostede Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), som er det største internationale videnskabelige eksperiment, der nogensinde er blevet udført på amerikansk jord. DUNE kræver enorme mængder neutrinoer for at studere den mystiske partikel i udsøgte detaljer og, med den seneste godkendelse til PIP-II, Fermilab er positioneret til at være verdens førende inden for acceleratorbaseret neutrinoforskning. Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF), som også vil støtte DUNE, havde sin banebrydende ceremoni i juli 2017.

Muligheden for at bidrage til PIP-II har trukket videnskabsmænd og ingeniører fra hele verden til Fermilab:PIP-II er det første acceleratorprojekt på amerikansk jord, der vil have betydelige bidrag fra internationale partnere. Fermilabs PIP-II-partnerskaber omfatter institutioner i Indien, Italien, Frankrig og Storbritannien, samt USA.

PIP-II udnytter de seneste fremskridt med partikelacceleratorer, der er udviklet hos Fermilab og andre institutioner, og som vil gøre det muligt for dets acceleratorer at generere partikelstråler ved højere kræfter end tidligere tilgængelig. Højeffektpartikelstrålerne vil igen skabe intense neutrinostråler, at give videnskabsmænd en overflod af disse subtile partikler.

"PIP-II's højeffektacceleratorer og dets nationale og multinationale partnerskaber styrker Fermilabs position som den acceleratorbaserede neutrinofysikhovedstad i verden, " sagde DOEs undersekretær for videnskab Paul Dabbar. "LBNF/DUNE, det Fermilab-baserede megavidenskabseksperiment til neutrinoforskning, har allerede tiltrukket mere end 1, 000 samarbejdspartnere fra 32 lande. Med acceleratorsiden af ​​eksperimentet stigende i form af PIP-II, ikke alene tiltrækker Fermilab samarbejdspartnere over hele verden til at lave neutrinovidenskab, men amerikansk partikelfysik får også et kraftigt løft."

En stor milepæl

DOE-milepælen kaldes formelt Critical Decision 1-godkendelse, eller CD-1. Ved tildeling af CD-1, DOE godkender Fermilabs tilgang og omkostningsinterval. Milepælen markerer afslutningen af ​​projektdefinitionsfasen og det konceptuelle design. Det næste trin er at flytte projektet i retning af at etablere en præstationsbaseline.

"Vi tænker på PIP-II som hjertet af Fermilab:en platform, der giver flere muligheder og muliggør brede videnskabelige programmer, inklusive den mest kraftfulde accelerator-baserede neutrinokilde i verden, " sagde Fermilab PIP-II projektdirektør Lia Merminga. "Med klarsignal til at forfine vores plan, vi kan fokusere på at designe PIP-II acceleratorkomplekset til at være så kraftfuldt og fleksibelt, som det overhovedet kan være."

PIP-II's kraftfulde neutrinostrøm

Neutrinoer er allestedsnærværende, men flygtige partikler, den sværeste at fange af alle medlemmer af den subatomære partikelfamilie. Forskere fanger dem ved at sende neutrinostråler genereret fra partikelacceleratorer til store, historiehøje detektorer. Jo større antal neutrinoer, der sendes til detektorerne, jo større er chancerne for, at detektorerne fanger dem, og jo større mulighed er der for at studere disse subatomære flugtkunstnere.

Det er her PIP-II kommer ind.

Fermilabs opgraderede PIP-II-acceleratorkompleks vil generere protonstråler med væsentligt større kraft, end der er tilgængeligt i øjeblikket. Stigningen i strålekraft udmønter sig i flere neutrinoer, der kan sendes til laboratoriets forskellige neutrinoeksperimenter. Resultatet bliver verdens mest intense højenergi-neutrinostråle.

Målet med PIP-II er at producere en protonstråle på mere end 1 megawatt, omkring 60 procent højere end de eksisterende acceleratorkomplekser. Til sidst, aktiveret af PIP-II, Fermilab kunne opgradere acceleratoren til at fordoble den effekt til mere end 2 megawatt.

"Ved den magt, vi kan bare oversvømme detektorerne med neutrinoer, " sagde DUNE medtalsmand og University of Chicago fysiker Ed Blucher. "Det er det, der er så spændende. Hver neutrino, der stopper i vores detektorer, tilføjer en smule information til vores billede af universet. Og jo flere neutrinoer der stopper, jo tættere vi kommer på at udfylde billedet."

Den største og mest ambitiøse af disse detektorer er dem i DUNE, som efter planen starter op i midten af ​​2020'erne. DUNE vil bruge to detektorer adskilt af en afstand på 800 miles (1, 300 kilometer) - en ved Fermilab og en anden, meget større detektor placeret en kilometer under jorden i South Dakota ved Sanford Underground Research Facility. Prototyper af disse teknologisk avancerede neutrino-detektorer er nu under konstruktion på det europæiske partikelfysiklaboratorium CERN, som er en stor partner i LBNF/DUNE, og forventes at tage data senere i år.

Fermilabs acceleratorer, forbedret i henhold til PIP-II planen, vil sende en stråle af neutrinoer til DUNE-detektoren ved Fermilab. Strålen vil fortsætte sin vej lige gennem jordskorpen til detektoren i South Dakota. Forskere vil studere data indsamlet af begge detektorer, sammenligne dem for at få bedre styr på, hvordan neutrinoegenskaber ændrer sig over den lange distance.

Detektoren placeret i South Dakota, kendt som DUNE langt detektoren, er enorm. Det vil stå fire etager højt og optage et areal svarende til en fodboldbane. Med sin understøttende platform LBNF, DUNE er designet til at håndtere en neutrinoflod.

Og, i samarbejde med internationale partnere, PIP-II er designet til at levere det.

Partnere i PIP-II

Udviklingen af ​​en større partikelaccelerator med international deltagelse repræsenterer et nyt paradigme i amerikanske acceleratorprojekter:PIP-II er det første USA-baserede acceleratorprojekt med multinationale partnere. I øjeblikket omfatter disse laboratorier i Indien (BARC, IUAC, RRCAT, VECC) og institutioner finansieret i Italien af ​​National Institute for Nuclear Physics (INFN), Frankrig (CEA og IN2P3), og i Storbritannien af ​​Science and Technology Facilities Council (STFC).

I en aftale med Indien, fire indiske institutioner for atomenergi er bemyndiget til at bidrage med udstyr, med detaljer, der skal formaliseres inden byggestart.

"Det internationale videnskabelige samfund bringer verdensførende ekspertise og kapaciteter til projektet. Deres engagement og fælles følelse af ejerskab i projektets succes er blandt de mest overbevisende styrker ved PIP-II, " sagde Merminga.

PIP-II-partnere bidrager med acceleratorkomponenter, forfølge deres udvikling sammen med Fermilab gennem regelmæssige udvekslinger af forskere og ingeniører. Samarbejdet er til gensidig fordel. For nogle internationale partnere, dette samarbejde giver mulighed for udvikling af deres egne faciliteter og infrastruktur samt lokal acceleratorindustri.

Accelererende superledende teknologi

Det centrale i PIP-II-projektet er konstruktionen af ​​en ny superledende radiofrekvens (SRF) lineær accelerator, som bliver den indledende fase af den opgraderede Fermilab acceleratorkæde. Den skal erstatte den nuværende Fermilab Linac. ("Linac" er en almindelig forkortelse for "lineær accelerator, ", hvori partikelstrålen fortsætter langs en lige vej.) Planen er at installere SRF-linac under 25 fod snavs i indmarken af ​​den nu nedlagte Tevatron-ring.

Den nye SRF linac vil give et stort løft til sin partikelstråle fra start, fordobling af stråleenergien fra sin forgænger fra 400 millioner til 800 millioner elektronvolt. Dette løft vil gøre det muligt for Fermilab acceleratorkomplekset at opnå stråleeffekt i megawatt-skala.

Superledende materialer har ingen elektrisk modstand, så strømmen sejler ubesværet igennem dem. Ved at drage fordel af superledende komponenter, acceleratorer minimerer mængden af ​​strøm, de trækker fra elnettet, kanalisere mere af det til strålen. Bjælker opnår således højere energier til mindre omkostninger end i normalt ledende acceleratorer, såsom Fermilabs nuværende Linac.

I linac, superledende komponenter kaldet accelererende hulrum vil give energi til partikelstrålen. Hulrummene, som ligner tråde af jumbo, sølv perler, er lavet af niobium og vil blive linet op fra ende til anden. Partikelstrålen vil accelerere ned ad aksen i det ene hulrum efter det andet, samler energi op, mens den går.

"Fermilab er en af ​​pionererne inden for superledende acceleratorteknologi, " sagde Merminga. "Mange af de fremskridt, der er udviklet her, går ind i PIP-II SRF linacen."

Linac-hulrummene vil blive indkapslet i 25 kryomoduler, som rummer kryogenik for at holde hulrummene kolde (for at opretholde superledning).

Mange nuværende og fremtidige partikelacceleratorer er baseret på superledende teknologi, og de fremskridt, der hjælper videnskabsmænd med at studere neutrinoer, har multiplikationseffekter uden for grundlæggende videnskab. Forskere udvikler superledende acceleratorer til medicin, miljøoprydning, kvanteberegning, industri og national sikkerhed.

Stråleskemaet

I PIP-II, en stråle af protoner vil blive sprøjtet ind i linacen. I løbet af sine 176 meter - seks og en halv olympisk størrelse bassinlængder - vil strålen accelerere til en energi på 800 millioner elektronvolt. Når det passerer gennem den superledende linac, den vil indgå i resten af ​​Fermilabs nuværende acceleratorkæde – yderligere tre acceleratorer – som også vil gennemgå betydelige opgraderinger i løbet af de næste par år for at håndtere den højere energistråle fra den nye linac. På det tidspunkt, hvor strålen forlader den sidste accelerator, den vil have en energi på op til 120 milliarder elektronvolt og mere end 1 megawatt strøm.

Efter at protonstrålen forlader kæden, det vil ramme en segmenteret cylinder af kulstof. Stråle-carbon-kollisionen vil skabe en byge af andre partikler, som vil blive dirigeret til forskellige Fermilab-forsøg. Nogle af disse post-kollisions partikler vil blive - vil "henfalde til, "i fysik lingo - neutrinoer, som på dette tidspunkt allerede vil være på vej mod deres detektorer.

PIP-II's første protonstråle - som forskere vil være i stand til at fordele mellem LBNF/DUNE og andre eksperimenter - kan leveres i pulser eller som en kontinuerlig protonstrøm.

Front-end-komponenterne til PIP-II - dem opstrøms fra den superledende linac - er allerede udviklet og undergår test.

"Vi er meget glade for at have været i stand til at designe PIP-II til at opfylde kravene i neutrinoprogrammet og samtidig give fleksibilitet til fremtidig udvikling af Fermilab eksperimentelle program i en række retninger, " sagde Fermilabs Steve Holmes, tidligere PIP-II projektdirektør.

Fermilab forventer at afslutte projektet i midten af ​​2020'erne, i tide til opstart af LBNF/DUNE.

"Mange mennesker arbejdede utrætteligt for at designe den bedste maskine til den videnskab, vi ønsker at lave, " sagde Merminga. "Anerkendelsen af ​​deres fremragende arbejde gennem CD-1-godkendelse er opmuntrende for os. Vi ser frem til at bygge denne forreste accelerator."