Målpraksis:Perfektion af Mu2e-produktionsmålet

Før Mu2e, der var MECO.

Videnskabsmænd, forskere, og ingeniører var ekstatiske. De havde forsøgt at udføre Muon til Electron Conversion-eksperimentet i næsten to årtier på to kontinenter, og nu ville det endelig blive bygget på Brookhaven National Laboratory.

Uafskrækket, da projektet blev trukket i 2005, de justerede deres planer og design for at køre dette banebrydende eksperiment på Fermi National Accelerator Laboratory i Batavia, Illinois.

Myon-gåden

Mu2e sigter mod at løse et mysterium, der har undret både eksperimentelister og teoretikere siden opdagelsen af ​​muonen i 1936:Forskere har aldrig observeret en myon transformeret til dens lettere fætter, elektronen, uden også at udsende andre partikler.

Observation af direkte muon-til-elektron-konvertering "ville give umiskendeligt bevis for fysik ud over standardmodellen, " sagde eksperimentets medtalsmand Jim Miller, en videnskabsmand ved Boston University.

Elektroner, muoner og taus er smagsstoffer af partikler kaldet leptoner. Ligesom jordbær, chokolade og vaniljeis kan ikke forvandles til hinanden, på trods af at det er smag af napolitansk is, muoner tilsyneladende forhindres i at konvertere direkte til elektroner.

Måling af en sådan konverteringsproces én gang, endsige flere gange i løbet af et eksperiment, er ikke nogen nem bedrift. For at observere muon-til-elektron-konverteringssignalet, Mu2e vil være omkring 10, 000 gange stærkere end SINDRUM II-eksperimentet, som afsluttede indsamlingen af ​​data i 2000 og var det sidste eksperiment til at søge efter direkte muon-til-elektron-konvertering.

Hvis kun én ud af 100 millioner milliarder (10 ¹⁷ ) myoner omdannes til en elektron, Mu2e vil se det.

At producere pioner:Et måls fortælling

Før dette kan ske, fysikere har brug for pioner.

Produktionsmålet, et omhyggeligt formet materiale, der opsnapper en partikelstråle, påtager sig det kritiske, men vanskelige job. Når en stråle af protoner rammer det faste produktionsmål, pioner kommer ud i alle retninger og henfalder næsten øjeblikkeligt til myoner, som spiraler ned gennem andre komponenter af eksperimentet til en detektor, hvorfra de (forhåbentlig) kommer frem som elektroner.

Mu2e-komponenter er lavet med så lidt materiale som muligt, fordi partikelinteraktioner øges med mængden af ​​materiale i eksperimentet, griber ind i det signal, forskerne håber at observere. Dette gav unikke udfordringer for produktionsmåldesignteamet.

Beliggende i et vakuumkammer inde i en superledende cylindrisk magnet, produktionsmålet er underlagt ekstreme forhold. En protonstråle slår mod målet hvert sekund, får dens temperatur til at stige til omkring 1, 700 grader Celsius (3, 092 grader Fahrenheit), temperaturen oplevet af de varmeste dele af en NASA-rumfærge, der kommer ind i Jordens atmosfære igen.

Forskere indså hurtigt, at deres oprindelige design, et levn fra MECO-eksperimentet, var dyrt. For dyrt. En guldstang indkapslet i en titanium jakke, dette mål skulle afkøles med cirkulerende vand via et omfattende system af vandpumper, dyser og anden infrastruktur.

"Det var, da nogle af vores kolleger påpegede, at vi måske slet ikke behøver at nedkøle målet aktivt, " sagde Steve Werkema, accelerator upgrade manager for Mu2e.

To modifikationer - skift til et mål, der afgiver varme på egen hånd, kaldet et stråleafkølet mål, og reduktion af stråleeffekt fra 25 kilowatt til 8 kilowatt – ikke kun sparede penge og forenklet infrastruktur, men også reducerede sikkerhedsproblemer.

Nu, forskere havde brug for et nyt produktionsmål. For målmaterialet, de henvendte sig til et afsnit af det periodiske system kendt som de ildfaste metaller. Ildfaste metaller er fordelagtige i eksperimenter som Mu2e, fordi de har høje smeltepunkter og er modstandsdygtige over for korrosion selv under høje temperaturer.

Forskerne valgte i sidste ende wolfram, en tung, tæt metal, der kan modstå høje temperaturer og brutale dunkende af bundter af protonstråler. Dette besluttede, det var tilbage til tegnebrættet, bogstaveligt talt.

Genbesøg, revidere og gentage

Det første Mu2e wolframmål lignede et tykt, lang blyant. Seks millimeter (omkring 0,25 tommer) i diameter og 160 millimeter (lidt over 6 tommer) lang, wolframstangen producerede masser af pioner.

Problemet? Der var ingen måde at understøtte denne struktur i vakuum.

For at løse denne gåde, forskere vedhæftede dele, der ligner megafoner, til begge ender af stangen. Spaghetti-lignende eger suspenderede disse komponenter i en cykelringstruktur, der sikrer målet og hjælper en robotarm med målfjernelse og bortskaffelse.

"Det var da, vi begyndte at opdage problemer, som vi skulle overvinde, en efter en, " sagde Werkema.

Det første problem, de stødte på, var korrosion.

Normalt, wolfram er korrosionssikker, men undersøgelser viste, at selv den mindste smule ilt i vakuumkammeret forårsager problemer ved Mu2e temperaturer og tryk.

"Tænk på det som din bil. Skærme ruster, og du får disse store ruststykker, der falder af, og snart har du ingen skærm tilbage, " sagde Dave Pushka, ledende produktionsmålingeniør hos Fermilab.

Produktionsmålet ville korrodere så hurtigt, at det ikke ville holde et år. Forskere forbedrede vakuumkammeret for at afbøde denne effekt. Mens de stadig forventer en vis dannelse af wolframoxid, det burde ikke være nok til at få målet til at fejle hurtigt.

Forskerne undrede sig så:Hvor længe kunne en protonstråle bombardere målet, før den fejlede på grund af stress og træthed? I en vigtig milepæl, Rutherford Appleton Laboratory-forskere i England udviklede et prototypemål og ramte det med en elektrisk puls, indtil det fejlede. De konkluderede, at i det mindste fra den fejltilstand, målet ville vare mere end et år.

Den tredje udfordring var temperaturen. Forskere var bekymrede for, at målet kunne deformeres som en stang smør ved en picnic i juli, før det nåede sin foreskrevne levetid (ca. 43 ugers stråletid).

Da protoner rammer produktionsmålet, kinetisk energi bliver til varme, hvilket får målet til at udvide sig udad og synke i midten. Denne ustabilitet forårsager endnu mere hængende, som egerne, der støtter målet, trækker enderne sammen, sætte mere kraft i begge ender og få målet til at synke yderligere.

Folk på begge sider af Atlanten arbejdede i venskabelig konkurrence for at udvikle den bedste målmodel. Ultimativt, flere designelementer, såsom fjedre, der forbinder egerne til cykelringen, blev indført for at bekæmpe træthed og målsænkning.

I sin nuværende version, målet ligner stadig meget en uslebet blyant. Den er grå, relativt tung, og 200 millimeter (næsten 8 tommer) lang, med cylindriske ringe i hver ende, finner, der afleder varme fra målkernen og afstiver sig mod nedbøjning og tomrum, der adskiller segmenter af den centrale stang.

Finnerne, som får målet til at ligne en stjerne fra enderne, kræver finesse for at fungere efter hensigten under den hårde protonstråle.

"Når du tilføjer flere finner, overfladen af ​​en finne ser ikke køligere temperaturer. Den ser i stedet en anden finne ved samme varme temperatur. Det betyder, at der er nogle faldende afkast i form af finnestruktur og antal og varmeafledning, " sagde Pushka.

Mu2e-projektleder Ron Ray fra Fermilab foreslog, at segmentering af målets kerne kunne afhjælpe dette temperaturafhængige problem. Forskerne har fundet ud af, at indførelsen af ​​mellemrum mellem korte, cylindriske segmenter af wolfram giver dem mulighed for at finjustere temperaturer langs målet.

Portvagterne for optimalt måldesign

I mellemtiden tre teams af ingeniører arbejder på at eliminere så mange overraskelser som muligt ved beam-on.

"Produktionsmålgruppen ønsker at vide, hvad der sker med hver ændring af målet eller strålen, " sagde Kevin Lynch, professor i fysik ved York College ved City University of New York og Mu2e produktionsmåldesignteammedlem. "Vores modeller sporer alt fra pionproduktion til muon-til-elektron-konverteringer til den måde, energi akkumuleres i komponenter under hele eksperimentet."

Disse uafhængige beregninger, udført af Lynchs hold på York College og Bob Bernsteins hold på Fermilab, er, hvad senioringeniør Ingrid Fang arbejder med.

Fang, som har arbejdet hos Fermilab i over to årtier, anvender Lynchs beregninger til geometrien leveret af Pushka, opsætter modellen, og løser for stress og temperatur på hvert punkt i målet. Simuleringerne er så komplekse, at det tager en supercomputer tre eller flere dage at løse de millioner af ligninger.

"Vi er nødt til at finde det søde sted mellem temperatur og muonudbytte, " sagde Fang.

Det er Fangs resultat, der er studeret af videnskabsmænd, forskere og ingeniører. Det er Fangs resultat, der træffer eller bryder beslutninger. Det er Fangs resultat, der i sidste ende afgør, om produktionsmålet går videre til byggeriet eller går tilbage til design.

"Nu, det er den store finale, " Fang siger om det nuværende design. "Vi kombinerede målet med dets understøttende struktur og satte alle belastninger, inklusive strålepulsering, strålingsbelastning, tyngdekraft, og forspænding på boltene, der fastgør systemet, ind i modellen, og resultaterne ser meget lovende ud."

Opbygning af et mål 101

Forskere ved, at livet i laboratoriet er fyldt med op- og nedture, puslespil og revision. Hvad der oprindeligt startede som et guld, vandkølet stang har udviklet sig til en segmenteret og finneformet, stråleafkølet, wolfram apparat, der opfylder projektets mål. Videnskabsmænd, forskere, ingeniører og analytikere har set på mere end 35 måldesign gennem årene.

Forskerne forbliver uforfærdede, da de nu står over for den seneste udfordring - faktisk at bygge produktionsmålet.

"Wolfram er svært at bearbejde. Du kan ikke skære det med en drejebænk. Du kan ikke save det. Det skal slibes eller elektrodeafladningsbearbejdes, " sagde Pushka. Han bemærker, at der er mindst tre eller fire entreprenører i Chicagoland-området, og mere ud over, hvem kan udføre dette indviklede arbejde.

Werkema og Pushka anslår, at målet vil tage 12 uger at fremstille og yderligere 12 uger at samle og justere med strålen. Derefter, efter Mu2e-konstruktionen er færdig i 2022, der er endnu et år med opsætning, målinger og kalibrering påkrævet, før eksperimentet starter i 2023.

"Det ser ud til at være lang tid væk, men det virker som om der ikke er tid overhovedet, når man tænker på, at de første designs blev lavet i slutningen af ​​1990'erne. Lige nu, det føles som om vi er færdige, fordi vi overvandt alle disse ingeniør- og designudfordringer, og nu dukker der nye ting op og bliver installeret hver uge. Du kan faktisk se fremskridtene, " siger Werkema.

"Jeg har arbejdet på en masse eksperimenter hos Fermilab, " sagde Pushka. "Mu2e er den sværeste, det sværeste eksperiment, jeg nogensinde har arbejdet på, Jeg tror, som vi nogensinde har forsøgt at trække os ud af. Det er ekstremt svært fra et videnskabeligt og ingeniørmæssigt synspunkt."

Det ser ud til, at forskerne, for nu, er på mål for at opdage ny fysik gennem Mu2e.