Alla fine degli anni 2020, Il Fermilab inizierà a inviare il fascio di neutrini più intenso del mondo attraverso la crosta terrestre ai rivelatori del South Dakota per l'esperimento internazionale Deep Underground Neutrino. o DUNE. Quando il nuovo acceleratore di particelle PIP-II sarà online, un intenso raggio di protoni viaggerà vicino alla velocità della luce attraverso una serie di componenti di acceleratori sotterranei prima di passare attraverso finestre metalliche e scontrarsi con un bersaglio fisso per produrre i neutrini. I ricercatori intendono costruire le finestre con una lega di titanio e stanno testando la resistenza alla fatica di campioni esposti a fasci di protoni per vedere come si comportano nel nuovo complesso di acceleratori.

Proprio sul bersaglio

Quando gli scienziati del Fermilab hanno deciso di produrre neutrini per DUNE, devono essere incredibilmente precisi. L'acceleratore PIP-II utilizzerà strutture superconduttrici e potenti magneti per accelerare rapide raffiche di protoni in microsecondi che vengono focalizzate e guidate nella giusta direzione, mirato ai rilevatori DUNE in South Dakota, prima che colpiscano il bersaglio che produce neutrini sul sito del Fermilab.

Il bersaglio, che consiste in barre di grafite di circa 1,5 metri di lunghezza totale, è separato dal resto dell'acceleratore in un recipiente riempito di elio per aiutare a mantenere basse le temperature.

I protoni, viaggiando alla loro massima energia, entrare nella nave attraverso una finestra, quindi ha colpito il bersaglio per produrre una cascata di pioni in rapido decadimento - particelle subatomiche di breve durata - che escono attraverso una seconda finestra nella parte posteriore. In meno di un secondo, i pioni non solo saranno decaduti in neutrini, ma quei neutrini - che non hanno quasi massa e viaggiano vicini alla velocità della luce - avranno raggiunto la loro destinazione nel South Dakota, un viaggio di 800 miglia.

Progettare l'array di destinazione non è un compito facile, che è particolarmente vero per le finestre. Devono avere la resistenza per resistere al raggio di protoni ad alta potenza e a temperature superiori a 200 gradi Celsius, il tutto mantenendo un'integrità strutturale sufficiente per resistere alle differenze di pressione attraverso la finestra. Non solo quello, ma devono essere il più sottili possibile per ridurre al minimo l'interazione con il fascio di protoni. A causa di queste condizioni estreme, le finestre dell'acceleratore non sono di vetro ma di metallo.

Mentre le finestre metalliche non lasciano entrare molta luce nella tua casa, non rappresentano una grande barriera ai fasci di particelle. Gli atomi sono per lo più costituiti da spazio vuoto, e i protoni ad alta energia viaggiano attraverso gli interstizi all'interno e tra gli atomi della finestra con un'interazione relativamente ridotta.

Però, le travi che attraversano le finestre sono altamente energetiche, e la piccola frazione di protoni che rimbalza sui nuclei nelle finestre deposita energia sotto forma di calore e onde vibrazionali, che comportano il rischio di rottura del materiale e sono una delle principali fonti di preoccupazione per ingegneri e fisici.

"Queste finestre devono essere in grado di sostenere il calore generato dall'interazione del raggio, ", ha affermato Sujit Bidhar, ricercatore post-dottorato del Fermilab.

Tutto questo riscaldamento e raffreddamento fa sì che le finestre a travi si contraggano e si espandano rapidamente.

"Il materiale target si espande entro 10 microsecondi, " ha detto Bidhar. "Ma il materiale circostante non si sta espandendo, perché non interagisce direttamente con il raggio. Questo provoca una sorta di effetto martellante, che chiamiamo onde di stress."

Le onde all'interno del materiale sono analoghe a una persona che nuota in una piscina; muoversi attraverso l'acqua crea onde simili che si estenderebbero fino al bordo e rimbalzavano al punto di origine. Se il nuotatore aggiungesse ulteriore energia lanciando una palla di cannone nell'acqua, l'onda aumenterebbe di ampiezza e potrebbe riversarsi oltre il lato.

Poiché le finestre di destinazione negli acceleratori sono solide, però, le forti onde che li attraversano indeboliscono il materiale nel tempo attraverso un processo chiamato fatica, e invece di poter sguazzare sul bordo di una piscina, lo stress indotto finirà per causare la rottura dell'array. Non è una questione di se, ma quando.

Prevedere la prossima grande occasione

I fisici hanno un interesse acquisito nel sapere esattamente quanto tempo ci si può aspettare che ogni componente dell'acceleratore duri. Guasti imprevisti delle apparecchiature possono portare a lunghi ritardi e contrattempi.

Molti acceleratori di particelle utilizzano finestre target in berillio, un raro tipo di metallo leggero che, fino ad ora, ha mostrato i migliori risultati grazie alla sua eccezionale durata. Ma i fisici e gli ingegneri sono costantemente alla ricerca di modi per innovare, e coloro che sviluppano finestre target per DUNE stanno studiando le leghe di titanio, che possono avere proprietà che consentono loro di resistere meglio delle loro controparti al berillio.

"Il titanio ha un'elevata resistenza specifica nonché un'elevata resistenza allo stress da fatica e alla corrosione, "ha detto Kavin Ammigan, un ingegnere senior del Fermilab. "Stiamo testando per vedere come cambiano queste proprietà critiche quando il titanio è esposto a fasci di protoni".

Le leghe di titanio sono state utilizzate presso il Japan Proton Accelerator Research Complex, noto come J-PARC, per oltre un decennio con risultati promettenti. Con l'aggiornamento PIP-II di Fermilab, il complesso dell'acceleratore di laboratorio accelererà un raggio di intensità molto più elevata di quanto non faccia attualmente. Per prevedere quanto dureranno le finestre in titanio al Fermilab, i ricercatori avevano bisogno di testare i campioni utilizzando energie del raggio simili.

I campioni di fatica in titanio forniti dai ricercatori del J-PARC sono stati inviati al Fermilab, dove sono state testate le loro proprietà meccaniche. I campioni sono stati poi colpiti da un intenso raggio di protoni al Brookhaven National Laboratory nel corso di otto settimane, dopo di che sono stati restituiti al Fermilab per un altro giro di test per determinare esattamente come le proprietà della lega erano cambiate e degradate nel tempo. Testando sia prima che dopo essere stato bombardato da fasci di protoni, i ricercatori possono prevedere approssimativamente quanto tempo ci si può aspettare che le finestre realizzate in titanio possano durare nell'acceleratore aggiornato.

I dati generati dal progetto saranno utili non solo per Fermilab e l'aggiornamento PIP-II, ma anche per altre istituzioni e futuri acceleratori. La struttura dell'acceleratore J-PARC, Per esempio, ha in programma di aumentare l'intensità del suo fascio di particelle e sarà in grado di utilizzare i risultati dell'attuale studio per prevedere la durata della finestra del bersaglio in titanio.

Con queste informazioni in mano, I ricercatori del Fermilab saranno in grado di gestire in modo proattivo i loro dispositivi a fascio. Le finestre in titanio verranno rimosse prima della fine della loro aspettativa di vita prevista e sostituite con nuove, finestre instancabili.

Ammigan, I colleghi di Bidhar e del Fermilab hanno completato il loro primo lotto di misurazioni di campioni in lega di titanio e prevedono di completare un secondo lotto in pochi mesi, dopo di che hanno intenzione di pubblicare i loro risultati.