Di cosa hai bisogno per realizzare il fascio di neutrini più intenso al mondo? Solo alcuni magneti e un po' di mina. Ma non le solite cose di casa. Dopotutto, questo è il fascio di neutrini ad alta energia più intenso del mondo, quindi stiamo parlando di parti di dimensioni enormi:magneti delle dimensioni di panchine e bacchette di grafite ultrapura alte come Danny DeVito.

Gli esperimenti di fisica che spingono l'estensione della conoscenza umana tendono a lavorare agli estremi:le scale più grandi e più piccole, le intensità più elevate. Tutti e tre sono veri per l'esperimento internazionale Deep Underground Neutrino, ospitato dal Fermilab del Dipartimento dell'Energia. L'esperimento riunisce più di 1, 000 persone provenienti da più di 30 paesi per rispondere a domande che hanno tenuto svegli molte persone di notte:perché l'universo è pieno di materia e non di antimateria, o non importa affatto? fare protoni, uno dei mattoni degli atomi (e di noi), mai decadere? Come si formano i buchi neri? E ho lasciato la stufa accesa?

Forse non l'ultimo.

Per affrontare le domande più grandi, DUNE esaminerà misteriose particelle subatomiche chiamate neutrini:neutre, spettri esili che raramente interagiscono con la materia. Perché i neutrini sono così antisociali, gli scienziati costruiranno enormi rivelatori di particelle per catturarli e studiarli. Più materia all'interno dei rivelatori DUNE significa più cose con cui i neutrini interagiscono, e queste enormi trappole per neutrini conterranno un totale di 70, 000 tonnellate di argon liquido. Nella loro casa 1,5 chilometri sotto la roccia nella struttura di ricerca sotterranea di Sanford in South Dakota, saranno protetti dalle interferenze dei raggi cosmici, anche se i neutrini non avranno problemi a passare attraverso quel cuscinetto e a colpire il bersaglio. I rivelatori possono rilevare neutrini da stelle esplosive che potrebbero evolversi in buchi neri e catturare interazioni da un fascio di neutrini deliberatamente mirato.

I neutrini (e le loro controparti di antimateria, antineutrini) nascono mentre altre particelle decadono, portando via piccole quantità di energia per bilanciare il libro mastro cosmico. Li troverai arrivare a frotte da stelle come il nostro sole, dentro la Terra, anche il potassio nelle banane. Ma se vuoi produrre trilioni di neutrini ad alta energia ogni secondo e inviarli a un rivelatore di particelle nelle profondità del sottosuolo, sarebbe difficile farlo lanciando frutta verso il South Dakota.

È qui che entra in gioco il complesso dell'acceleratore di particelle del Fermilab.

Fermilab invia particelle attraverso una serie di acceleratori, ognuno aggiungendo una sferzata di velocità ed energia. Sono iniziati i lavori per un potenziamento del complesso che includerà un nuovo acceleratore lineare all'inizio del viaggio:PIP-II. Si tratta del primo progetto di acceleratore negli Stati Uniti con importanti contributi internazionali, e spingerà le particelle all'84% della velocità della luce mentre viaggiano per la lunghezza di due campi da calcio. Le particelle poi entrano nel Booster Ring per un altro... beh, Incremento, e infine dirigiti verso l'iniettore principale, L'acceleratore più potente del Fermilab.

La svolta? Gli acceleratori di particelle del Fermilab spingono i protoni, particelle utili, ma non quelli che gli scienziati dei neutrini vogliono studiare.

Quindi, come pensano i ricercatori di trasformare il primo fascio di protoni da megawatt del Fermilab nei trilioni di neutrini ad alta energia di cui hanno bisogno per DUNE ogni secondo? Ciò richiede alcune infrastrutture extra:la struttura per neutrini a base lunga, o LBNF. Una linea di base lunga significa che LBNF invierà i suoi neutrini a lunga distanza—1, 300 chilometri, dal Fermilab al Sanford Lab, e l'impianto di neutrini significa... facciamo dei neutrini.

Passaggio 1:prendi alcuni protoni

Il primo passaggio consiste nel travasare le particelle dall'iniettore principale, altrimenti l'acceleratore circolare agirà più come una giostra. Gli ingegneri dovranno costruire e collegare una nuova linea di luce. Non è un'impresa facile, considerando tutte le utenze, altre linee di luce, e magneti dell'iniettore principale intorno.

"È in una delle aree più congestionate del complesso dell'acceleratore del Fermilab, " ha detto Elaine McCluskey, il project manager LBNF al Fermilab. Il lavoro di preparazione del sito a partire dal Fermilab nel 2019 sposterà alcune delle utenze fuori mano. Dopo, quando è il momento della costruzione della linea di luce LBNF, il complesso dell'acceleratore si spegnerà temporaneamente.

Gli equipaggi sposteranno alcuni dei magneti dell'iniettore principale in modo sicuro e colpiranno l'involucro dell'acceleratore. Costruiranno una nuova area di estrazione e un recinto di travi, quindi reinstallare i magneti dell'iniettore principale con una nuova aggiunta costruita dal Fermilab:magneti kicker per cambiare il corso del raggio. Costruiranno anche la nuova linea di luce LBNF stessa, utilizzando 24 magneti dipolo e 17 quadrupolo, la maggior parte di essi sono stati costruiti dal Bhabha Atomic Research Center in India.

Passaggio 2:obiettivo

I neutrini sono particelle delicate. Perché sono neutri, non possono essere guidati da forze magnetiche allo stesso modo delle particelle cariche (come i protoni). Quando nasce un neutrino, continua a dirigersi in qualunque direzione stesse andando, come un bambino che guida lo Slip "N Slide più lungo del mondo. Questa proprietà rende i neutrini grandi messaggeri cosmici, ma significa un passo in più per gli ingegneri legati alla Terra:mirare.

Mentre costruiscono la linea di luce LBNF, gli equipaggi lo stenderanno lungo la curva di una collina alta 18 metri. Quando i protoni scendono dalla collina, saranno puntati verso i rilevatori DUNE in South Dakota. Una volta nati i neutrini, continueranno nella stessa direzione, nessun tunnel richiesto.

Con tutti i magneti in posizione e tutto sigillato ermeticamente, gli operatori dell'acceleratore saranno in grado di dirigere i protoni lungo la nuova linea di luce, come cambiare un treno su un binario. Ma invece di entrare in una stazione, le particelle correranno a tutta velocità verso un bersaglio.

Passaggio 3:distruggi le cose

L'obiettivo è un pezzo cruciale di ingegneria. Pur essendo ancora in fase di progettazione, è probabile che sia una bacchetta di pura grafite lunga 1,5 metri:pensa alla tua matita con gli steroidi.

Insieme ad altre attrezzature, siederà all'interno della sala bersaglio, una stanza sigillata piena di azoto gassoso. DUNE si avvierà con un raggio di protoni che funzionerà a più di 1 megawatt di potenza, e ci sono già piani per aggiornare il raggio a 2,4 megawatt. Quasi tutto ciò che viene costruito per LBNF è progettato per resistere a quella maggiore intensità del raggio.

A causa della potenza del raggio da record, manipolare qualsiasi cosa all'interno della sala sigillata richiederà probabilmente l'aiuto di alcuni amici robot controllati dall'esterno delle spesse mura. Ingegneri presso KEK, l'organizzazione di ricerca sugli acceleratori ad alta energia in Giappone, stanno lavorando su prototipi per elementi del design della sala di destinazione sigillata LBNF.

Il raggio di protoni ad alta potenza entrerà nella sala bersaglio e si schianterà contro la grafite come palle da bowling che colpiscono i birilli, depositando la loro energia e liberando uno spruzzo di nuove particelle, principalmente pioni e kaoni.

"Questi obiettivi hanno una vita molto dura, " ha detto Chris Densham, capogruppo per obiettivi ad alta potenza presso il Rutherford Appleton Laboratory della STFC nel Regno Unito, che è responsabile della progettazione e produzione del bersaglio per il fascio da un megawatt. "Ogni impulso di protone fa salire la temperatura di alcune centinaia di gradi in pochi microsecondi".

L'obiettivo LBNF opererà intorno ai 500 gradi Celsius in una sorta di scenario Goldilocks. La grafite si comporta bene quando fa caldo, ma non troppo caldo, quindi gli ingegneri dovranno rimuovere il calore in eccesso. Ma non possono lasciare che diventi troppo figo, o. Acqua, che viene utilizzato in alcuni progetti di destinazione attuali, fornirebbe troppo raffreddamento, quindi anche gli specialisti della RAL stanno sviluppando un nuovo metodo. L'attuale progetto proposto fa circolare elio gassoso, che si sposterà a circa 720 chilometri all'ora, la velocità di un aereo di linea da crociera, nel momento in cui uscirà dal sistema.

Passaggio 4:focalizzare i detriti

Quando i protoni colpiscono il bersaglio e producono pioni e kaoni, i dispositivi chiamati trombe di focalizzazione prendono il sopravvento. I pioni e i kaoni sono caricati elettricamente, e questi magneti giganti dirigono lo spruzzo di nuovo in un raggio focalizzato. Una serie di tre trombe che sarà progettata e costruita al Fermilab correggerà i percorsi delle particelle e le punterà verso i rivelatori del Sanford Lab.

Perché il design funzioni, il bersaglio, un tubo cilindrico, deve trovarsi all'interno del primo corno, a sbalzo in posizione dal lato a monte. Ciò causa alcune interessanti sfide ingegneristiche. Si riduce a un equilibrio tra ciò che vogliono i fisici, un obiettivo più lungo che può rimanere in servizio più a lungo, con ciò che gli ingegneri possono costruire. Il bersaglio ha solo un paio di centimetri di diametro, e ogni centimetro in più di lunghezza rende più probabile la caduta sotto la raffica di protoni e l'attrazione della gravità terrestre.

Proprio come un gioco di Operazione, i fisici non vogliono che il bersaglio tocchi i lati del corno.

Per creare il campo di messa a fuoco, le corna metalliche ricevono un 300, Impulso elettromagnetico da 000 ampere circa una volta al secondo, fornendo più carica di un potente fulmine. Se tu fossi in piedi accanto ad esso, vorresti infilarti le dita nelle orecchie per bloccare il rumore e di certo non vorrai che nulla tocchi le corna, compresa la grafite. Gli ingegneri potrebbero supportare l'obiettivo da entrambe le estremità, ma ciò renderebbe l'inevitabile rimozione e sostituzione molto più complicata.

"Più semplice puoi renderlo, meglio è, "Densham ha detto. "C'è sempre la tentazione di fare qualcosa di intelligente e complicato, ma vogliamo renderlo il più stupido possibile, quindi c'è meno da sbagliare."

Passaggio 5:accade la fisica

Focalizzato in un raggio, i pioni e i kaoni escono dalla sala bersaglio e viaggiano attraverso un tunnel lungo 200 metri pieno di elio. Come fanno, decadono, dando vita a neutrini e ad alcune particelle amiche. I ricercatori possono anche cambiare le corna per focalizzare le particelle con la carica opposta, che poi decadrà in antineutrini. La schermatura alla fine del tunnel assorbe le particelle in eccesso, mentre i neutrini o antineutrini navigano, imperturbabile, dritto attraverso terra e roccia, verso il loro destino in South Dakota.

"LBNF è un progetto complesso, con tanti pezzi che devono lavorare insieme, " ha detto Jonathan Lewis, il responsabile del progetto LBNF Beamline. "È il futuro del laboratorio, il futuro del campo negli Stati Uniti, e un progetto entusiasmante e stimolante. La prospettiva di scoprire le proprietà dei neutrini è una scienza entusiasmante".

Gli scienziati DUNE esamineranno il fascio di neutrini al Fermilab subito dopo la sua produzione utilizzando un sofisticato rivelatore di particelle in loco, posto proprio nel percorso del raggio. La maggior parte dei neutrini passerà direttamente attraverso il rivelatore, come fanno con tutta la materia. Ma una piccola frazione si scontrerà con gli atomi all'interno del rivelatore vicino al sito DUNE, fornendo preziose informazioni sulla composizione del fascio di neutrini e sulle interazioni dei neutrini ad alta energia con la materia.

Poi è il momento di salutare gli altri neutrini. Sii veloce:loro 1, Un viaggio di 300 chilometri alla velocità della luce impiegherà quattro millisecondi, nemmeno vicino a quanto tempo ci vuole per battere le palpebre. Ma per gli scienziati DUNE, il lavoro sarà solo all'inizio.