Hvordan laver du verdens mest kraftfulde neutrinostråle?

Hvad skal du bruge for at lave den mest intense stråle af neutrinoer i verden? Kun et par magneter og noget blyant. Men ikke dine sædvanlige husholdningsartikler. Trods alt, dette er verdens mest intense højenergi-neutrinostråle, så vi taler om dele i jumbostørrelse:magneter på størrelse med parkbænke og ultrarene grafitstænger lige så høje som Danny DeVito.

Fysiske eksperimenter, der presser omfanget af menneskelig viden, har en tendens til at arbejde i ekstremerne:den største og mindste skala, de højeste intensiteter. Alle tre gælder for det internationale Deep Underground Neutrino Experiment, afholdt af Energiministeriets Fermilab. Eksperimentet samler mere end 1, 000 mennesker fra mere end 30 lande for at tackle spørgsmål, der har holdt mange mennesker vågne om natten:Hvorfor er universet fyldt med stof og ikke antistof, eller lige meget overhovedet? Lav protoner, en af ​​byggestenene i atomer (og af os), nogensinde forfald? Hvordan dannes sorte huller? Og lod jeg komfuret stå tændt?

Måske ikke den sidste.

For at løse de største spørgsmål, DUNE vil se på mystiske subatomære partikler kaldet neutrinoer:neutrale, tjavsede wraiths, der sjældent interagerer med materien. Fordi neutrinoer er så asociale, videnskabsmænd vil bygge enorme partikeldetektorer for at fange og studere dem. Mere stof inde i DUNE-detektorerne betyder flere ting for neutrinoer at interagere med, og disse gigantiske neutrinofælder vil indeholde i alt 70, 000 tons flydende argon. I deres hjem 1,5 kilometer under klippen i Sanford Underground Research Facility i South Dakota, de vil være beskyttet mod forstyrrende kosmiske stråler – selvom neutrinoer ikke vil have nogen problemer med at passere gennem den buffer og ramme deres mærke. Detektorerne kan opfange neutrinoer fra eksploderende stjerner, der kan udvikle sig til sorte huller og fange interaktioner fra en bevidst rettet stråle af neutrinoer.

Neutrinoer (og deres antistof-modstykker, antineutrinoer) fødes, når andre partikler henfalder, transporterer små mængder energi væk for at balancere den kosmiske hovedbog. Du vil se dem komme i hobetal fra stjerner som vores sol, inde på jorden, selv kalium i bananer. Men hvis du vil lave billioner af højenergi neutrinoer hvert sekund og sende dem til en partikeldetektor dybt under jorden, du ville være hårdt presset til at gøre det ved at kaste frugt mod South Dakota.

Det er her, Fermilabs partikelacceleratorkompleks kommer ind.

Fermilab sender partikler gennem en række acceleratorer, hver tilføjer en byge af hastighed og energi. Arbejdet er påbegyndt for en opgradering af komplekset, som vil omfatte en ny lineær accelerator ved rejsens start:PIP-II. Dette er det første acceleratorprojekt i USA med store internationale bidrag, og det vil fremdrive partikler til 84% af lysets hastighed, når de bevæger sig i længden af ​​to fodboldbaner. Partikler kommer derefter ind i Booster-ringen for endnu en … ja, boost, og til sidst gå til hovedinjektoren, Fermilabs mest kraftfulde accelerator.

Twist? Fermilabs partikelacceleratorer driver protoner - nyttige partikler, men ikke dem, som neutrinoforskere ønsker at studere.

Så hvordan planlægger forskerne at forvandle Fermilabs første megawatt-stråle af protoner til de billioner af højenergi-neutrinoer, de har brug for til DUNE hvert sekund? Dette kræver noget ekstra infrastruktur:The Long-Baseline Neutrino Facility, eller LBNF. En lang baseline betyder, at LBNF vil sende sine neutrinoer en lang afstand—1, 300 kilometer, fra Fermilab til Sanford Lab – og neutrino-faciliteten betyder … lad os lave nogle neutrinoer.

Trin 1:Få fat i nogle protoner

Det første trin er at suge partikler fra hovedinjektoren - ellers, den cirkulære speeder vil mere fungere som en karusell. Ingeniører bliver nødt til at bygge og forbinde en ny beamline. Det er ikke nogen let bedrift, i betragtning af alle hjælpemidler, andre strålelinjer, og Main Injector magneter rundt.

"Det er i et af de mest overbelastede områder af Fermilab acceleratorkomplekset, " sagde Elaine McCluskey, LBNF-projektlederen hos Fermilab. Forberedelsesarbejde på stedet, der starter hos Fermilab i 2019, vil flytte nogle af forsyningsselskaberne af vejen. Senere, når det er tid til LBNF beamline konstruktionen, acceleratorkomplekset vil midlertidigt slukke.

Besætninger vil flytte nogle af hovedinjektormagneterne sikkert af vejen og slå ind i acceleratorens kabinet. De vil bygge et nyt udvindingsområde og bjælkekabinet, geninstaller derefter hovedinjektormagneterne med en ny Fermilab-bygget tilføjelse:kicker-magneter for at ændre strålens kurs. De vil også selv bygge den nye LBNF beamline, ved hjælp af 24 dipol og 17 quadrupole magneter, de fleste af dem bygget af Bhabha Atomic Research Center i Indien.

Trin 2:Sigt

Neutrinoer er vanskelige partikler. Fordi de er neutrale, de kan ikke styres af magnetiske kræfter på samme måde som ladede partikler (såsom protoner). Når først en neutrino er født, det bliver ved med at gå i den retning, det gik, som et barn, der kører på verdens længste Slip "N Slide. Denne egenskab gør neutrinoer til fantastiske kosmiske budbringere, men betyder et ekstra skridt for jordbundne ingeniører:at sigte.

Mens de bygger LBNF-strålelinjen, besætninger vil drapere det langs kurven af ​​en 18 meter høj bakke. Når protonerne går ned ad bakken, de vil blive peget mod DUNE-detektorerne i South Dakota. Når først neutrinoerne er født, de vil fortsætte i samme retning, ingen tunnel nødvendig.

Med alle magneterne på plads og alt forseglet tæt, acceleratoroperatører vil være i stand til at lede protoner ned ad den nye strålelinje, som at skifte tog på et spor. Men i stedet for at trække ind på en station, partiklerne vil køre fuld fart ind i et mål.

Trin 3:Knus ting

Målet er et afgørende stykke teknik. Mens der stadig er designet, det er sandsynligvis en 1,5 meter lang stang af ren grafit – tænk på din blyant på steroider.

Sammen med noget andet udstyr, den vil sidde inde i målhallen, et lukket rum fyldt med gasformigt nitrogen. DUNE vil starte op med en protonstråle, der vil køre med mere end 1 megawatt effekt, og der er allerede planer om at opgradere strålen til 2,4 megawatt. Næsten alt, der bygges til LBNF, er designet til at modstå den højere stråleintensitet.

På grund af den rekordstore stråleeffekt, at manipulere noget inde i den forseglede hal vil sandsynligvis kræve hjælp fra nogle robotvenner styret udefra de tykke mure. Ingeniører hos KEK, højenergiacceleratorforskningsorganisationen i Japan, arbejder på prototyper til elementer af det forseglede LBNF målhaldesign.

Den høje effektstråle af protoner vil komme ind i målhallen og smadre ind i grafitten som bowlingkugler, der rammer stifter, afsætte deres energi og udløse en spray af nye partikler - for det meste pioner og kaoner.

"Disse mål har et meget hårdt liv, " sagde Chris Densham, gruppeleder for højeffektmål ved STFC's Rutherford Appleton Laboratory i Storbritannien, som er ansvarlig for design og produktion af målet for en-megawatt-strålen. "Hver protonimpuls får temperaturen til at hoppe op med et par hundrede grader på få mikrosekunder."

LBNF-målet vil operere omkring 500 grader Celsius i en slags Guldlok-scenarie. Grafit fungerer godt, når det er varmt, men ikke for varmt, så ingeniører bliver nødt til at fjerne overskydende varme. Men de kan ikke lade det blive for køligt, enten. Vand, som bruges i nogle nuværende måldesigns, ville give for meget køling, så specialister hos RAL er også ved at udvikle en ny metode. Det nuværende foreslåede design cirkulerer gasformigt helium, som vil bevæge sig omkring 720 kilometer i timen - hastigheden for et krydstogtfly - når det forlader systemet.

Trin 4:Fokusér snavset

Når protoner rammer målet og producerer pioner og kaoner, enheder kaldet fokuseringshorn tager over. Pioner og kaoner er elektrisk ladede, og disse gigantiske magneter leder sprayen tilbage til en fokuseret stråle. En serie på tre horn, der vil blive designet og bygget hos Fermilab, vil rette partikelvejene og rette dem mod detektorerne på Sanford Lab.

For at designet skal fungere, målet – et cylindrisk rør – skal sidde inde i det første horn, udkraget på plads fra opstrømssiden. Dette medfører nogle interessante tekniske udfordringer. Det koger ned til en balance mellem, hvad fysikere ønsker - et længere mål, der kan forblive i tjeneste i længere tid - med det, ingeniører kan bygge. Målet er kun et par centimeter i diameter, og hver ekstra centimeter af længden gør det mere sandsynligt, at det hænger under spærreilden af ​​protoner og træk fra Jordens tyngdekraft.

Meget som et spil Operation, fysikere ønsker ikke, at målet skal røre ved siderne af hornet.

For at skabe fokusfeltet, de metalliske horn modtager en 300, 000-amp elektromagnetisk puls cirka én gang i sekundet - leverer mere ladning end et kraftigt lyn. Hvis du stod ved siden af, du vil gerne stikke fingrene ind i ørerne for at blokere støjen - og du vil bestemt ikke have, at noget rører ved hornene, inklusive grafit. Ingeniører kunne støtte målet fra begge ender, men det ville gøre den uundgåelige fjernelse og udskiftning meget mere kompliceret.

"Jo enklere du kan gøre det, des bedre, " sagde Densham. "Der er altid en fristelse til at lave noget smart og kompliceret, men vi vil gerne gøre det så dumt som muligt, så der er mindre at gå galt."

Trin 5:Fysik sker

Fokuseret i en stråle, pionerne og kaonerne forlader målhallen og rejser gennem en 200 meter lang tunnel fuld af helium. Som de gør, de forfalder, at føde neutrinoer og nogle partikelvenner. Forskere kan også skifte hornene til at fokusere partikler med den modsatte ladning, som derefter vil henfalde til antineutrinoer. Afskærmning for enden af ​​tunnelen absorberer de ekstra partikler, mens neutrinoerne eller antineutrinoerne sejler videre, uforstyrret, lige gennem jord og sten, mod deres South Dakota-skæbne.

"LBNF er et komplekst projekt, med en masse stykker, der skal arbejde sammen, " sagde Jonathan Lewis, LBNF Beamline projektleder. "Det er fremtiden for laboratoriet, fremtiden for området i USA, og et spændende og udfordrende projekt. Udsigten til at afdække neutrinoers egenskaber er spændende videnskab."

DUNE-forskere vil undersøge neutrinostrålen ved Fermilab lige efter dens produktion ved hjælp af en sofistikeret partikeldetektor på stedet, placeret lige i bjælkens bane. De fleste neutrinoer vil passere lige gennem detektoren, som de gør med alt stof. Men en lille brøkdel vil kollidere med atomer inde i DUNE nærstedsdetektoren, at give værdifuld information om sammensætningen af ​​neutrinostrålen samt højenergi neutrino interaktioner med stof.

Så er det tid til at vinke farvel til de andre neutrinoer. Vær hurtig - deres 1, 300 kilometers rejse tæt på lysets hastighed vil tage fire millisekunder, ikke engang tæt på, hvor lang tid det tager at blinke med øjet. Men for DUNE-forskere, arbejdet vil kun begynde.