Il complesso di acceleratori del Fermilab ha raggiunto un importante traguardo:il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha formalmente approvato il Fermi National Accelerator Laboratory per procedere con la progettazione di PIP-II, un progetto di aggiornamento dell'acceleratore che fornirà una maggiore potenza del raggio per generare un flusso senza precedenti di neutrini, particelle subatomiche che potrebbero sbloccare la nostra comprensione dell'universo, e consentire un ampio programma di ricerca fisica per molti anni a venire.

Gli aggiornamenti dell'acceleratore PIP-II (Proton Improvement Plan II) sono parte integrante del Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) ospitato dal Fermilab. che è il più grande esperimento scientifico internazionale mai condotto sul suolo degli Stati Uniti. DUNE richiede enormi quantità di neutrini per studiare la misteriosa particella nei minimi dettagli e, con l'ultima approvazione per PIP-II, Fermilab è posizionato per essere il leader mondiale nella ricerca sui neutrini basata su acceleratori. L'impianto di neutrini a base lunga (LBNF), che sosterrà anche DUNE, ha avuto la sua cerimonia inaugurale nel luglio 2017.

L'opportunità di contribuire a PIP-II ha attirato scienziati e ingegneri da tutto il mondo al Fermilab:PIP-II è il primo progetto di acceleratore sul suolo degli Stati Uniti che avrà contributi significativi da partner internazionali. Le partnership PIP-II del Fermilab includono istituzioni in India, Italia, Francia e Regno Unito, così come gli Stati Uniti.

PIP-II sfrutta i recenti progressi degli acceleratori di particelle sviluppati al Fermilab e ad altre istituzioni che consentiranno ai suoi acceleratori di generare fasci di particelle a potenze superiori a quelle precedentemente disponibili. I fasci di particelle ad alta potenza creeranno a loro volta intensi fasci di neutrini, fornendo agli scienziati un'abbondanza di queste particelle sottili.

"Gli acceleratori ad alta potenza di PIP-II e le sue partnership nazionali e multinazionali rafforzano la posizione del Fermilab come capitale mondiale della fisica dei neutrini basata sugli acceleratori, ", ha affermato il sottosegretario del DOE per la Scienza Paul Dabbar. "LBNF/DUNE, l'esperimento di megascienza basato sul Fermilab per la ricerca sui neutrini, ha già attirato più di 1, 000 collaboratori da 32 paesi. Con il lato acceleratore dell'esperimento che sta crescendo sotto forma di PIP-II, non solo Fermilab attrae collaboratori in tutto il mondo per fare scienza dei neutrini, ma anche la fisica delle particelle negli Stati Uniti riceve un potente impulso".

Un traguardo importante

La pietra miliare del DOE è formalmente chiamata approvazione della decisione critica 1, o CD-1. Nel concedere CD-1, Il DOE approva l'approccio e la fascia di costo del Fermilab. Il traguardo segna il completamento della fase di definizione del progetto e della progettazione concettuale. Il passo successivo è spostare il progetto verso la definizione di una linea di base delle prestazioni.

"Pensiamo a PIP-II come al cuore del Fermilab:una piattaforma che fornisce molteplici funzionalità e consente ampi programmi scientifici, inclusa la più potente sorgente di neutrini basata su acceleratori al mondo, " ha dichiarato Lia Merminga, Direttore del progetto Fermilab PIP-II. "Con il via libera per perfezionare il nostro progetto, possiamo concentrarci sulla progettazione del complesso dell'acceleratore PIP-II in modo che sia il più potente e flessibile possibile".

Il potente flusso di neutrini di PIP-II

I neutrini sono particelle onnipresenti ma fugaci, il più difficile da catturare tra tutti i membri della famiglia delle particelle subatomiche. Gli scienziati li catturano inviando fasci di neutrini generati da acceleratori di particelle a grandi, rivelatori altissimi. Maggiore è il numero di neutrini inviati ai rivelatori, maggiori sono le possibilità che i rilevatori li catturino, e più opportunità ci sono di studiare questi artisti della fuga subatomica.

È qui che entra in gioco PIP-II.

Il complesso acceleratore PIP-II aggiornato del Fermilab genererà fasci di protoni di potenza significativamente maggiore di quella attualmente disponibile. L'aumento della potenza del raggio si traduce in più neutrini che possono essere inviati ai vari esperimenti sui neutrini del laboratorio. Il risultato sarà il fascio di neutrini ad alta energia più intenso al mondo.

L'obiettivo di PIP-II è produrre un fascio di protoni di oltre 1 megawatt, circa il 60 percento in più rispetto alle forniture del complesso di acceleratori esistenti. Infine, abilitato da PIP-II, Il Fermilab potrebbe potenziare l'acceleratore per raddoppiare quella potenza a più di 2 megawatt.

"A quel potere, possiamo semplicemente inondare i rivelatori di neutrini, " ha detto il co-portavoce di DUNE e fisico dell'Università di Chicago Ed Blucher. "Questo è ciò che è così eccitante. Ogni neutrino che si ferma nei nostri rivelatori aggiunge un po' di informazione alla nostra immagine dell'universo. E più neutrini che si fermano, più ci avviciniamo a riempire l'immagine."

I più grandi e ambiziosi di questi rilevatori sono quelli di DUNE, che dovrebbe iniziare a metà degli anni '20. DUNE utilizzerà due rilevatori separati da una distanza di 800 miglia (1, 300 chilometri)—uno al Fermilab e un secondo, rivelatore molto più grande situato a un miglio sotto terra nel South Dakota presso il Sanford Underground Research Facility. I prototipi di questi rivelatori di neutrini tecnologicamente avanzati sono ora in costruzione presso il laboratorio europeo di fisica delle particelle CERN, che è uno dei principali partner di LBNF/DUNE, e dovrebbero prendere i dati entro la fine dell'anno.

Gli acceleratori del Fermilab, potenziato secondo il piano PIP-II, invierà un fascio di neutrini al rivelatore DUNE al Fermilab. Il raggio continuerà il suo percorso attraverso la crosta terrestre fino al rivelatore in South Dakota. Gli scienziati studieranno i dati raccolti da entrambi i rilevatori, confrontandoli per capire meglio come cambiano le proprietà dei neutrini a lunga distanza.

Il rivelatore situato in South Dakota, noto come rivelatore lontano DUNE, è enorme. Sarà alto quattro piani e occuperà un'area equivalente a un campo da calcio. Con la sua piattaforma di supporto LBNF, DUNE è progettato per gestire un diluvio di neutrini.

E, con la collaborazione di partner internazionali, PIP-II è progettato per fornirlo.

Partner in PIP-II

Lo sviluppo di un importante acceleratore di particelle con partecipazione internazionale rappresenta un nuovo paradigma nei progetti di accelerazione degli Stati Uniti:PIP-II è il primo progetto di acceleratore con sede negli Stati Uniti con partner multinazionali. Attualmente questi includono laboratori in India (BARC, IUAC, RRCAT, VECC) e istituzioni finanziate in Italia dall'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Francia (CEA e IN2P3), e nel Regno Unito dal Science and Technology Facilities Council (STFC).

In un accordo con l'India, quattro istituzioni del Dipartimento indiano dell'energia atomica sono autorizzate a fornire attrezzature, con dettagli da formalizzare prima dell'inizio dei lavori.

"La comunità scientifica internazionale apporta al progetto competenze e capacità leader a livello mondiale. Il loro impegno e il senso condiviso di appartenenza al successo del progetto sono tra i punti di forza più convincenti di PIP-II, " ha detto Merminga.

I partner PIP-II contribuiscono con componenti dell'acceleratore, perseguendo il loro sviluppo insieme al Fermilab attraverso scambi regolari di scienziati e ingegneri. La collaborazione è reciprocamente vantaggiosa. Per alcuni partner internazionali, questa collaborazione rappresenta un'opportunità per lo sviluppo delle proprie strutture e infrastrutture, nonché dell'industria degli acceleratori locali.

Accelerazione della tecnologia dei superconduttori

Il fulcro del progetto PIP-II è la costruzione di un nuovo acceleratore lineare a radiofrequenza superconduttore (SRF), che diventerà la fase iniziale della catena di acceleratori del Fermilab potenziata. Sostituirà l'attuale Fermilab Linac. ("Linac" è un'abbreviazione comune per "acceleratore lineare, " in cui il fascio di particelle procede lungo un percorso rettilineo.) Il piano è installare il linac SRF sotto 25 piedi di terra nel campo interno dell'anello Tevatron ora dismesso.

Il nuovo linac SRF fornirà una grande spinta al suo fascio di particelle fin dall'inizio, raddoppiando l'energia del fascio del suo predecessore da 400 milioni a 800 milioni di elettronvolt. Questa spinta consentirà al complesso di acceleratori del Fermilab di raggiungere una potenza del raggio su scala megawatt.

I materiali superconduttori hanno una resistenza elettrica nulla, così la corrente li attraversa senza sforzo. Sfruttando i componenti superconduttori, gli acceleratori riducono al minimo la quantità di energia che traggono dalla rete elettrica, incanalandolo di più verso il raggio. I raggi raggiungono così energie più elevate a un costo inferiore rispetto agli acceleratori a conduzione normale, come l'attuale Linac del Fermilab.

Nel linac, componenti superconduttori chiamati cavità acceleranti impartiranno energia al fascio di particelle. Le cavità, che sembrano fili di jumbo, perle d'argento, sono fatti di niobio e saranno allineati da un capo all'altro. Il raggio di particelle accelererà lungo l'asse di una cavità dopo l'altra, raccogliendo energia mentre procede.

"Fermilab è uno dei pionieri nella tecnologia degli acceleratori superconduttori, " ha detto Merminga. "Molti dei progressi sviluppati qui stanno andando nel linac PIP-II SRF."

Le cavità linac saranno racchiuse in 25 criomoduli, che ospitano la criogenia per mantenere fredde le cavità (per mantenere la superconduttività).

Molti acceleratori di particelle attuali e futuri si basano sulla tecnologia dei superconduttori, e i progressi che aiutano gli scienziati a studiare i neutrini hanno effetti moltiplicatori al di fuori della scienza fondamentale. I ricercatori stanno sviluppando acceleratori superconduttori per la medicina, pulizia ambientale, informatica quantistica, industria e sicurezza nazionale.

Lo schema del fascio

In PIP-II, un fascio di protoni verrà iniettato nel linac. Nel corso dei suoi 176 metri, sei lunghezze e mezzo della piscina olimpionica, il raggio accelererà fino a raggiungere un'energia di 800 milioni di elettronvolt. Una volta che passa attraverso il linac superconduttore, entrerà nel resto dell'attuale catena di acceleratori del Fermilab, altri tre acceleratori, che subiranno anch'essi aggiornamenti significativi nei prossimi anni per gestire il raggio ad alta energia del nuovo linac. Quando il raggio esce dall'acceleratore finale, avrà un'energia fino a 120 miliardi di elettronvolt e più di 1 megawatt di potenza.

Dopo che il fascio di protoni esce dalla catena, colpirà un cilindro segmentato di carbonio. La collisione fascio-carbonio creerà una pioggia di altre particelle, che sarà indirizzato a vari esperimenti del Fermilab. Alcune di queste particelle post-collisione diventeranno... "decadranno in, "nel gergo della fisica—neutrini, che a questo punto saranno già sulla strada verso i loro rivelatori.

Il fascio di protoni iniziale di PIP-II, che gli scienziati saranno in grado di distribuire tra LBNF/DUNE e altri esperimenti, può essere erogato a impulsi o come flusso di protoni continuo.

I componenti front-end per PIP-II, quelli a monte del linac superconduttore, sono già sviluppati e in fase di test.

"Siamo molto felici di essere stati in grado di progettare PIP-II per soddisfare i requisiti del programma dei neutrini, fornendo al contempo flessibilità per lo sviluppo futuro del programma sperimentale Fermilab in qualsiasi numero di direzioni, " ha detto Steve Holmes del Fermilab, ex direttore del progetto PIP-II.

Fermilab prevede di completare il progetto entro la metà degli anni 2020, in tempo per l'avvio di LBNF/DUNE.

"Molte persone hanno lavorato instancabilmente per progettare la migliore macchina per la scienza che vogliamo fare, " Merminga ha detto. "Il riconoscimento del loro eccellente lavoro attraverso l'approvazione del CD-1 è incoraggiante per noi. Non vediamo l'ora di costruire questo acceleratore all'avanguardia".