Per alcuni, un bersaglio fa parte di un gioco di freccette. Per gli altri, è una catena di negozi. Nella fisica delle particelle, è il luogo di un intenso, ambiente complesso che svolge un ruolo cruciale nella generazione dei componenti più piccoli dell'universo che gli scienziati possono studiare.

Il bersaglio è un giocatore sconosciuto negli esperimenti di fisica delle particelle, spesso passando in secondo piano rispetto ai raggi di particelle alla velocità della luce e ai rilevatori di particelle giganti. Eppure molti esperimenti non esisterebbero senza un obiettivo. E, non fare errori, un obiettivo che tiene il suo è un giocatore prezioso.

Scienziati e ingegneri del Fermilab stanno attualmente studiando obiettivi per lo studio dei neutrini, particelle misteriose che potrebbero contenere la chiave dell'evoluzione dell'universo.

Interazioni intense

Il tipico esperimento di fisica delle particelle viene impostato in due modi. Nel primo, due fasci di particelle energetiche si scontrano l'uno con l'altro, generando una pioggia di altre particelle che gli scienziati possono studiare.

Nel secondo, il fascio di particelle colpisce un fermo, materiale solido:il bersaglio. In questa configurazione a destinazione fissa, il potente incontro produce la pioggia di particelle.

Come crash pad per raggi intensi, un bersaglio richiede una costituzione robusta. Deve resistere a ripetuti assalti di raggi ad alta potenza e resistere a temperature elevate.

Potresti pensare che, come attori fedeli nel gioco della produzione di particelle, i bersagli sembrerebbero un muro di una fortezza (o forse hai immaginato un bersaglio per le freccette). Ma i bersagli assumono forme diverse:lunghi e sottili, voluminoso e largo. Sono anche realizzati con materiali diversi, a seconda del tipo di particella che si vuole produrre. Possono essere di metallo, acqua o anche nanofibre appositamente progettate.

In un esperimento a target fisso, il raggio, diciamo, un raggio di protoni:corre verso il bersaglio, colpendolo. I protoni nel raggio interagiscono con i nuclei del materiale bersaglio, e le particelle risultanti si allontanano dal bersaglio in tutte le direzioni. I magneti quindi incanalano e convogliano alcune di queste particelle appena nate in un rivelatore, dove gli scienziati misurano le loro proprietà fondamentali.

Il luogo di nascita delle particelle

Le particelle che emergono dall'interazione fascio-bersaglio dipendono in gran parte dal materiale bersaglio. Consideriamo gli esperimenti sui neutrini del Fermilab.

In questi esperimenti, dopo che i protoni colpiscono il bersaglio, alcune delle particelle nel successivo sciame di particelle decadono, o si trasformano, in neutrini.

L'obiettivo deve essere fatto delle cose giuste.

"Gli obiettivi sono cruciali per la ricerca sulla fisica delle particelle, " ha detto lo scienziato del Fermilab Bob Zwaska. "Ci permettono di creare tutte queste nuove particelle, come i neutrini, che vogliamo studiare."

La grafite è un materiale per riccioli d'oro per bersagli di neutrini. Se mantenuto alla giusta temperatura mentre si trova nel fascio di protoni, la grafite genera particelle della giusta energia per poter decadere in neutrini.

Per i bersagli di neutroni, come quello alla Spallation Neutron Source all'Oak Ridge National Laboratory, vengono invece utilizzati metalli più pesanti come il mercurio.

La massima interazione è l'obiettivo della progettazione di un bersaglio. L'obiettivo dell'esperimento sui neutrini NOvA del Fermilab, Per esempio, è una fila diritta, circa la lunghezza della tua gamba, di pinne di grafite che assomigliano a grandi tessere del domino. Il fascio di protoni scorre lungo il suo asse, e ogni incontro con una pinna produce un'interazione. La forma sottile del bersaglio assicura che poche delle particelle sparate dopo la collisione vengano riassorbite nel bersaglio.

obiettivi di particelle, resistere

"Finché gli scienziati hanno le particelle di cui hanno bisogno per studiare, sono felici. Ma in fondo alla linea, a volte i bersagli si danneggiano, ", ha affermato l'ingegnere del Fermilab Patrick Hurh. In questi casi, gli ingegneri devono abbassare, o occasionalmente spegnere, la potenza del raggio. "Se il raggio non è a piena capacità o è spento, non produciamo quante più particelle possiamo per la scienza".

Più protoni sono impacchettati nel raggio, più interazioni hanno con il target, e più particelle vengono prodotte per la ricerca. Quindi gli obiettivi devono essere il più possibile in perfetta forma. Questo di solito significa sostituire i bersagli man mano che si consumano, ma gli ingegneri stanno sempre esplorando modi per migliorare la resistenza del bersaglio, che sia attraverso il design o il materiale.

Considera quali obiettivi devono affrontare. Non sono solo le collisioni ad alta energia, i tipi di interazioni che producono particelle per lo studio, che gli obiettivi persistono.

Le interazioni a bassa energia possono avere effetti a lungo termine, impatti negativi su un obiettivo, accumulando energia termica al suo interno. Quando il materiale target aumenta di temperatura, diventa più vulnerabile al cracking. Le aree calde in espansione martellano contro le aree fredde, creando onde di energia che ne destabilizzano la struttura.

Alcune delle collisioni in un raggio ad alta energia possono anche creare elementi leggeri come idrogeno o elio. Questi gas si accumulano nel tempo, creando bolle e rendendo il bersaglio meno resistente ai danni.

Un protone del raggio può persino abbattere un intero atomo, interrompendo la struttura cristallina del bersaglio e facendogli perdere la durabilità.

Chiaramente, essere un bersaglio non è un picnic, quindi scienziati e ingegneri migliorano sempre i bersagli per tirare meglio con un pugno.

Per esempio, grafite, utilizzato negli esperimenti sui neutrini del Fermilab, è resistente alle sollecitazioni termiche. E, poiché è poroso, i gas accumulati che normalmente potrebbero incunearsi tra gli atomi e interrompere la loro disposizione possono invece migrare verso aree aperte nella struttura atomica. La grafite è in grado di rimanere stabile e resistere alle onde di energia del fascio di protoni.

Gli ingegneri trovano anche modi per mantenere una temperatura target costante. Lo progettano in modo che sia facile da mantenere fresco, integrazione di ulteriori strumenti di raffreddamento nel progetto di destinazione. Per esempio, tubi d'acqua esterni aiutano a raffreddare il bersaglio per l'esperimento sui neutrini NOvA del Fermilab.

Bersagli per fasci di neutrini intensi

Al Fermilab, scienziati e ingegneri stanno anche testando nuovi progetti per quello che sarà il raggio di protoni più potente del laboratorio:il raggio per la struttura di punta del laboratorio per neutrini a base lunga e l'esperimento per neutrini sotterranei profondi, noto come LBNF/DUNE.

LBNF/DUNE dovrebbe entrare in funzione negli anni '20. L'esperimento richiede un fascio intenso di neutrini ad alta energia, il più intenso al mondo. Solo il fascio di protoni più potente può dare origine alle quantità di neutrini richieste da LBNF/DUNE.

Gli scienziati sono attualmente nelle prime fasi di test per obiettivi LBNF/DUNE, studiando materiali in grado di resistere ai protoni ad alta potenza. Attualmente in lizza sono berillio e grafite, che stanno estendendo ai suoi limiti. Una volta determinato in modo definitivo quale materiale esce in cima, passeranno alla fase di prototipazione del design. Finora, la maggior parte dei loro test indica la grafite come la scelta migliore.

Gli obiettivi continueranno ad evolversi e ad adattarsi. LBNF/DUNE fornisce solo un esempio di obiettivi di nuova generazione.

"La nostra ricerca non sta solo guidando la progettazione di LBNF/DUNE, " Hurh ha detto. "È per la scienza stessa. Ci saranno sempre fasci di particelle diversi e più potenti, e gli obiettivi si evolveranno per affrontare la sfida".