È stato un viaggio notturno di tre ore che ha coronato un viaggio iniziato sette anni fa.

Dalle 12:30 alle 3 di venerdì circa, 16 agosto la prima grande sezione superconduttiva di un acceleratore di particelle che alimenterà il più grande esperimento di neutrini al mondo si è fatta strada lungo una serie di strade di Chicagoland a una deliberata 10 miglia all'ora.

Trasportato su un vettore speciale creato appositamente per il suo viaggio di 25 miglia, alle 3:07 la struttura da nove tonnellate è entrata nella sua sede permanente al Fermilab del Dipartimento dell'Energia. È arrivato dal vicino Laboratorio Nazionale Argonne, anche un laboratorio nazionale DOE.

Il componente ad alta tecnologia è il primo criomodulo completato per l'acceleratore di particelle PIP-II, una macchina potente che diventerà il cuore del complesso di acceleratori del Fermilab. L'acceleratore genererà fasci di protoni ad alta potenza, che a sua volta produrrà il fascio di neutrini più potente del mondo, per l'esperimento internazionale Deep Underground Neutrino, ospitato da Fermilab e prevede il futuro a lungo termine del programma di ricerca Fermilab.

PIP-II è il primo progetto di acceleratore di particelle negli Stati Uniti con un significativo contributo internazionale, con cavità e criomoduli costruiti in Francia, India, Italia, il Regno Unito e gli Stati Uniti.

Lo sforzo del criomodulo ad Argonne è iniziato nel 2012. Scienziati e ingegneri di Argonne ne hanno guidato la progettazione, lavorare con un team del Fermilab. Il gruppo Argonne ha anche costruito il criomodulo, testato i suoi sottocomponenti e assemblato, evolvendo un progetto utilizzato in uno degli acceleratori di particelle di Argonne.

E ora è arrivato.

"C'è un significato profondo nell'arrivo del primo criomodulo PIP-II:inaugura una nuova era per il complesso dell'acceleratore Fermilab, l'era dell'accelerazione superconduttiva a radiofrequenza, ", ha affermato Lia Merminga, Direttore del progetto Fermilab PIP-II.

Il progetto dell'acceleratore PIP-II

Un criomodulo è l'unità principale di un acceleratore di particelle. Come i vagoni di un treno, criomoduli sono attaccati insieme end-to-end. L'acceleratore lineare PIP-II ne comprenderà 23, sommando fino a circa 200 metri, pista vicina alla velocità della luce per potenti protoni.

Protoni molto potenti. Il nuovo acceleratore consentirà un fascio di protoni da 1,2 megawatt per gli esperimenti del laboratorio. È il 60% di potenza in più rispetto a quella che l'attuale catena di acceleratori del laboratorio può fornire.

Ed è messo insieme un criomodulo alla volta. Ciascuno ospita una serie di cavità di accelerazione superconduttrici. Questi tubi di metallo lucido conferiscono energia al raggio, e anche loro sono posizionati end-to-end. Quando il raggio di protoni spara attraverso una cavità dopo l'altra, prende energia, grazie ai campi elettromagnetici all'interno delle cavità, spingendo il raggio in avanti.

Quando il raggio esce dalla cavità finale dell'ultimo criomodulo PIP-II, avrà guadagnato 800 milioni di elettronvolt di energia e viaggerà all'84% della velocità della luce.

Poi si va davvero alle corse:dopo che il raggio lascia il linac PIP-II, continuerà lungo uno qualsiasi dei numerosi percorsi, carica attraverso gli acceleratori del Fermilab e alla fine si schianta contro un blocco di materiale. La pioggia di particelle risultante sarà smistati e indirizzata a vari esperimenti, dove gli scienziati studiano questi frammenti di materia per capire meglio come opera il nostro universo al suo livello più fondamentale.

L'aumento del 60% della potenza del PIP-II, con la possibilità di aumentare la potenza nell'intervallo multimegawatt in un secondo momento, fornirà più particelle da studiare per gli scienziati, accelerare il percorso verso la scoperta.

L'acceleratore PIP-II dovrebbe essere integrato nel complesso di acceleratori del Fermilab nel 2026.

Cavalcando la mezza onda

Il criomodulo PIP-II progettato da Argonne contiene otto cavità acceleranti che sembrano grandi papillon a palloncino. Sono un tipo speciale, chiamati risonatori a semionda. ("Mezza onda, " perché il profilo del campo elettromagnetico al suo interno assomiglia alla metà di un'onda stazionaria.)

Il criomodulo risonatore a semionda sarà il primo della linea di 23 e l'unico del suo genere al PIP-II.

Il compito del criomodulo risonatore a semionda è quello di far partire il raggio non appena esce dal cancello, portandolo da 2 a 10 milioni di elettronvolt. Successivamente, ogni criomodulo fa il suo turno aumentando il raggio fino alla sua energia finale di 800 milioni di elettronvolt.

Il suo design si basa su quelli utilizzati nell'acceleratore di particelle ATLAS di Argonne, che accelera gli ioni pesanti per la ricerca in fisica nucleare.

La versione PIP-II presenta alcuni miglioramenti. Per uno, le prestazioni della cavità sono di prim'ordine, grazie ai progressi della tecnologia di accelerazione. Le cavità sono fatte di niobio superconduttore. I perfezionamenti nell'ultimo decennio sia nel trattamento del niobio che nella produzione di cavità hanno reso possibile alle cavità PIP-II di spingere il raggio a energie più elevate su distanze più brevi rispetto ad ATLAS e altre cavità comparabili. Sono anche più efficienti dal punto di vista energetico.

"Siamo orgogliosi delle cavità che abbiamo costruito e delle loro prestazioni, " ha detto il fisico di Argonne Zack Conway, che ha guidato lo sforzo per costruire le cavità. "Sono veramente leader nel mondo."

Il criomodulo mantiene le cavità fresche a 2 kelvin, o meno 270 gradi Celsius. Superconduttori di niobio a 9,2 K, ma le sue prestazioni salgono a 2 K. La criogenia avanzata (il "crio" nel criomodulo) assicura che le cavità PIP-II mantengano la loro temperatura fredda.

Il risultato è un veicolo ad alte prestazioni per trave.

"È stato bello collaborare con uno dei nostri laboratori gemelli, ", ha affermato lo scienziato del Fermilab Joe Ozelis, che sovrintende al progetto del criomodulo. "Questo modello di collaborazione con i nostri partner è la chiave per il continuo successo futuro di PIP-II. È gratificante sapere ora che può davvero funzionare".

È ora di testare

Il criomodulo arrivato di recente ha ancora molta strada da fare prima di essere installato in modo permanente come parte dell'acceleratore lineare PIP-II. Per i prossimi mesi, Il gruppo PIP-II del Fermilab effettuerà una serie di test per assicurarsi che soddisfi le specifiche. Quindi, l'anno prossimo, un gruppo Fermilab lo testerà con fascio, mettendo alla prova il criomodulo.

"La prima cosa in un progetto come questo è sempre emozionante, ma c'è dell'altro per me personalmente, " ha detto Genfa Wu, Fisico del Fermilab e responsabile del sistema PIP-II SRF e criogenia. "Questo è il primo criomodulo superconduttore a basso beta che potrò testare nella mia esperienza professionale".

È anche un primo passaggio per la collaborazione del criomodulo PIP-II più in generale. Ventidue criomoduli devono ancora essere costruiti e testati al Fermilab, di cui 15 arriveranno da fuori degli Stati Uniti, compreso un prototipo.

"PIP-II è una collaborazione internazionale, " Wu ha detto. "Stiamo lavorando attivamente con i nostri partner internazionali per assicurarci che tutti i criomoduli funzionino insieme".

Partner nella scienza globale

L'internazionalità di PIP-II riflette il più grande esperimento che alimenterà, l'esperimento del neutrino sotterraneo profondo, supportato dalla Long-Baseline Neutrino Facility del Fermilab. Il progetto di punta della scienza mira a svelare i misteri dei neutrini, particelle sottili che possono portare l'impronta degli inizi dell'universo.

I protoni del fascio PIP-II produrranno un fascio di neutrini, che verrà inviato a 800 miglia direttamente attraverso la crosta terrestre dal Fermilab ai rilevatori di particelle situati a un miglio sottoterra presso il Sanford Underground Research Facility nel South Dakota. Gli scienziati di DUNE studieranno come cambiano i neutrini su quella lunga distanza. Le loro scoperte mirano a dirci perché viviamo in un universo dominato dalla materia.

più di 1, 000 scienziati provenienti da dozzine di paesi partecipano a LBNF/DUNE, che inizierà a metà degli anni '20. È un progetto globale con obiettivi di ricerca ambiziosi da raggiungere. E anche quattro dei partner internazionali LBNF/DUNE contribuiscono a PIP-II. Per gli Stati Uniti, la natura internazionale del progetto PIP-II è un nuovo modo di costruire grandi progetti di acceleratori.

"Il criomodulo risonatore a mezza onda è un esempio stellare di come i laboratori DOE lavorano insieme per eseguire grandi progetti che implicano un'attitudine tecnologica che nessun singolo laboratorio ha da solo, " Merminga ha detto. "Sfruttando l'esperienza di Argonne nella tecnologia dei risonatori a semionda, Fermilab sta facendo un passo importante nella realizzazione del suo futuro, aprendo la strada a una collaborazione ancora maggiore. Esattamente lo stesso principio si applica alle nostre partnership internazionali, rendendo PIP-II un nuovo paradigma molto potente per i futuri progetti di accelerazione".

E in qualche modo, tutto sta iniziando a riunirsi quando un camion con un enorme, container di metallo ad alta tecnologia rotola lungo una strada nel cuore della notte.

"La collaborazione tra è stata molto agevole, dalla progettazione alla realizzazione, " Ha detto Conway. "E 'stato meraviglioso."

Paga dividendi in altre dimensioni, pure.

"Abbiamo imparato tanto da questo per future collaborazioni, e quelle lezioni saranno vitali per il progetto linac nel suo insieme, " Ha detto Ozelis. "Questo è più che istituzionale. È anche un'impresa umana".