Den første store superledende komponent til den nye partikelaccelerator med høj effekt ankommer til Fermilab

Det var en tre-timers roadtrip om natten, der afsluttede en rejse, der begyndte for syv år siden.

Fra cirka 12:30-3 om fredagen, 16. august, den første store superledende sektion af en partikelaccelerator, der vil drive det største neutrino -eksperiment i verden, gik sin vej langs en række Chicagoland -veje med bevidste 10 miles i timen.

Trukket på et specielt transportselskab, der er skabt til sin 25-mile rejse, kl. 03:07 trak den ni ton store struktur ind i sit permanente hjem ved Energiministeriets Fermilab. Det ankom fra det nærliggende Argonne National Laboratory, også et nationalt DOE -laboratorium.

Den højteknologiske komponent er den første færdige kryomodul til PIP-II partikelacceleratoren, en kraftfuld maskine, der bliver hjertet i Fermilabs acceleratorkompleks. Acceleratoren genererer højeffektstråler af protoner, som igen vil producere verdens mest kraftfulde neutrino stråle, til det internationale Deep Underground Neutrino -eksperiment, hostet af Fermilab og sørger for den langsigtede fremtid for Fermilab-forskningsprogrammet.

PIP-II er det første partikelacceleratorprojekt i USA med et betydeligt internationalt bidrag, med hulrum og kryomoduler bygget i Frankrig, Indien, Italien, Storbritannien og USA.

Kryomodulindsatsen i Argonne begyndte i 2012. Forskere og ingeniører i Argonne ledede designet, arbejder med et Fermilab -team. Argonne -gruppen byggede også kryomodulen, testet sine underkomponenter og samlet det, udvikle et design, der blev brugt i en af ​​Argonnes partikelacceleratorer.

Og nu er den ankommet.

"Der er en dyb betydning ved ankomsten af ​​den første PIP-II-kryomodul:den indleder en ny æra for Fermilab-acceleratorkomplekset, æraen med superledende radiofrekvensacceleration, "sagde Fermilab PIP-II-projektdirektør Lia Merminga.

PIP-II accelerator blueprint

En kryomodul er hovedenheden i en partikelaccelerator. Som biler i et tog, kryomoduler hitches sammen ende-til-ende. PIP-II lineær accelerator vil omfatte 23 af dem, tilføjer op til en cirka 200 meter, nær-let-hastighedsbane til kraftige protoner.

Meget kraftige protoner. Den nye accelerator muliggør en 1,2 megawatt protonstråle til laboratoriets eksperimenter. Det er 60% mere strøm, end laboratoriets nuværende accelerationskæde kan levere.

Og det er sat sammen en kryomodul ad gangen. Hver huser en række superledende accelerationshulrum. Disse skinnende metalrør giver strålen energi, og de placeres også ende-til-ende. Da protonstrålen skyder gennem det ene hulrum efter det næste, det henter energi, takket være de elektromagnetiske felter inde i hulrummene, driver bjælken fremad.

Da strålen forlader det sidste hulrum i den sidste PIP-II kryomodul, det vil have fået 800 millioner elektronvolt energi og rejse med 84% af lysets hastighed.

Så er det virkelig afsted til løbene:Efter at strålen forlader PIP-II linac, det vil fortsætte ad en hvilken som helst af en række stier, oplader gennem Fermilabs acceleratorer og til sidst smadrer ind i en blok af materiale. Den resulterende byge af partikler vil blive sorteret og dirigeret til forskellige eksperimenter, hvor forskere studerer disse stumper af stof for bedre at forstå, hvordan vores univers fungerer på sit mest fundamentale niveau.

60% boost i PIP-II effekt-med potentiale til at øge strømmen til multimegawatt-området på et senere tidspunkt-vil give flere partikler til forskere at studere, fremskynde vejen til opdagelse.

PIP-II-acceleratoren forventes at blive integreret i Fermilab-acceleratorkomplekset i 2026.

Kører på halvbølgen

Den Argonne-designet PIP-II kryomodul indeholder otte accelererende hulrum, der ligner store ballonsløjfer. De er en særlig type, kaldes halvbølge-resonatorer. ("Halvbølge, "fordi profilen af ​​det elektromagnetiske felt indeni det ligner halvdelen af ​​en stående bølge.)

Halvbølge-resonator-kryomodulen vil være den første i rækken af ​​23 og den eneste af sin slags på PIP-II.

Halvbølge-resonatorens kryomodul har til opgave at få strålen i gang næsten så snart den kommer ud af porten, tager det fra 2 til 10 millioner elektronvolt. Hver kryomodul tager derefter sin tur og stiger strålen op til sin endelige energi på 800 millioner elektronvolt.

Dens design er baseret på dem, der bruges i Argonnes ATLAS -partikelaccelerator, som fremskynder tunge ioner til atomfysisk forskning.

PIP-II-versionen har et par forbedringer. For en, hulrumets ydeevne er i top, takket være fremskridt inden for accelerationsteknologi. Hulrummene er lavet af superledende niob. Forbedringer i det sidste årti inden for både niobiumbehandling og hulrumsfremstilling har gjort det muligt for PIP-II hulrum at sparke strålen til højere energier over kortere afstande sammenlignet med ATLAS og andre sammenlignelige hulrum. De er også mere energieffektive.

"Vi er stolte over de hulrum, vi har bygget og deres ydeevne, "sagde Argonne -fysikeren Zack Conway, der ledte bestræbelserne på at bygge hulrummene. "De er virkelig verdensførende."

Kryomodulen holder hulrummene ved kølige 2 kelvin, eller minus 270 grader celsius. Niobium -superledninger ved 9,2 K, men dens ydeevne stiger ved 2 K. Avanceret kryogenik ("kryoen" i kryomodul) sikrer, at PIP-II-hulrummene opretholder deres nedkølingstemperatur.

Resultatet er et højtydende køretøj til bjælke.

"Det har været godt at samarbejde med et af vores søsterlaboratorier, "sagde Fermilab -videnskabsmanden Joe Ozelis, der overvåger cryomodule -projektet. "Denne model for samarbejdsindsats med vores partnere er nøglen til den fortsatte fremtidige succes med PIP-II. Det er glædeligt at nu vide, at det virkelig kan fungere."

Tid til at teste

Den nyligt ankomne kryomodul har en vej at gå, før den bliver permanent installeret som en del af PIP-II lineær accelerator. I de næste flere måneder, Fermilabs PIP-II-gruppe vil udføre en række tests for at sikre, at den opfylder specifikationerne. Derefter, næste år, en Fermilab -gruppe vil teste den med stråle, sætte kryomodulen igennem sine skridt.

"Det første af noget i et projekt som dette er altid spændende, men der er mere til dette for mig personligt, "sagde Genfa Wu, Fermilab fysiker og en PIP-II SRF og cryogenics system manager. "Dette er den første lav-beta superledende kryomodul, jeg kommer til at teste i min erhvervserfaring."

Det er også en første gennemgang for PIP-II kryomodul-samarbejdet mere generelt. 22 kryomoduler mangler endnu at blive bygget og testet på Fermilab, heraf kommer 15 uden for USA, inklusive en prototype.

"PIP-II er et internationalt samarbejde, "Wu sagde." Vi arbejder aktivt med vores internationale partnere for at sikre, at alle kryomodulerne fungerer sammen. "

Partnere inden for global videnskab

PIP-II's internationalitet afspejler det største eksperiment, det vil drive, Deep Underground Neutrino -eksperimentet, understøttet af Long-Baseline Neutrino Facility på Fermilab. Flagskibets videnskabsprojekt har til formål at låse op for neutrinoers mysterier, subtile partikler, der kan bære aftrykket af universets begyndelse.

Protoner fra PIP-II-strålen vil producere en stråle af neutrinoer, som vil blive sendt 800 miles lige gennem jordskorpen fra Fermilab til partikeldetektorer placeret en kilometer under jorden ved Sanford Underground Research Facility i South Dakota. DUNE -forskere vil undersøge, hvordan neutrinoerne ændrer sig over den lange afstand. Deres fund har til formål at fortælle os, hvorfor vi lever i et univers domineret af stof.

Mere end 1, 000 forskere fra snesevis af lande deltager i LBNF/DUNE, som starter i midten af ​​2020'erne. Det er et globalt projekt med de ambitiøse forskningsmål, der skal matches. Og fire af LBNF/DUNE internationale partnere bidrager også til PIP-II. For USA, PIP-II-projektets internationale karakter er en ny måde at bygge store acceleratorprojekter på.

"Halvbølge-resonator-kryomodulen er et fantastisk eksempel på, hvordan DOE-laboratorier arbejder sammen for at udføre store projekter, der involverer teknologisk evne, som ingen enkelt laboratorier har i sig selv, "Sagde Merminga." Ved at udnytte Argonnes erfaring inden for halvbølge resonatorteknologi, Fermilab tager et stort skridt i at realisere sin fremtid, mens den baner vejen for endnu mere samarbejde. Nøjagtig det samme princip gælder for vores internationale partnerskaber, gør PIP-II til et meget stærkt nyt paradigme for fremtidige acceleratorprojekter. "

Og på nogle måder, det hele begynder at hænge sammen, når en lastbil med en enorm, højteknologisk metalbeholder ruller ned ad en gade midt om natten.

"Samarbejdet mellem har været meget gnidningsløst, fra design til fremstilling, "Sagde Conway." Det har været vidunderligt. "

Det giver udbytte i andre dimensioner, også.

"Vi har lært så meget af dette til fremtidige samarbejder, og disse lektioner bliver afgørende for linac -projektet som helhed, "Sagde Ozelis." Dette er mere end institutionelt. Det er også en menneskelig indsats. "