Para alguns, um alvo faz parte de um jogo de dardos. Para os outros, é uma rede de varejo. Na física de partículas, é o local de um intenso, ambiente complexo que desempenha um papel crucial na geração dos menores componentes do universo para os cientistas estudarem.

O alvo é um jogador desconhecido em experimentos de física de partículas, muitas vezes ficando em segundo plano com feixes de partículas à velocidade da luz e detectores de partículas gigantes que roubam a cena. No entanto, muitos experimentos não existiriam sem um alvo. E, não cometa erros, um alvo que se mantém firme é um jogador valioso.

Cientistas e engenheiros do Fermilab estão atualmente investigando alvos para o estudo de neutrinos - partículas misteriosas que podem conter a chave para a evolução do universo.

Interações intensas

O experimento típico de física de partículas é configurado de duas maneiras. Em primeiro, dois feixes de partículas energéticas colidem um com o outro, gerando uma chuva de outras partículas para os cientistas estudarem.

No segundo, o feixe de partículas atinge um estacionário, material sólido - o alvo. Nesta configuração de alvo fixo, a reunião poderosa produz a chuva de partículas.

Como plataforma de choque para feixes intensos, um alvo requer uma constituição robusta. Tem de resistir a repetidos ataques de feixes de alta potência e resistir a altas temperaturas.

Você pode pensar que, como jogadores robustos no jogo de produção de partículas, os alvos seriam parecidos com uma parede de fortaleza (ou talvez você tenha imaginado um alvo de dardos). Mas os alvos assumem formas diferentes - longos e finos, volumoso e largo. Eles também são feitos de materiais diferentes, dependendo do tipo de partícula que se deseja fazer. Eles podem ser feitos de metal, água ou mesmo nanofibras especialmente concebidas.

Em um experimento de alvo fixo, o feixe - digamos, um feixe de prótons - corre em direção ao alvo, golpeando-o. Os prótons no feixe interagem com os núcleos do material alvo, e as partículas resultantes disparam para longe do alvo em todas as direções. Os ímãs então afunilam e encurralam algumas dessas partículas recém-nascidas para um detector, onde os cientistas medem suas propriedades fundamentais.

O local de nascimento da partícula

As partículas que emergem da interação feixe-alvo dependem em grande parte do material alvo. Considere os experimentos com neutrinos do Fermilab.

Nestes experimentos, depois que os prótons atingem o alvo, algumas das partículas na subsequente chuva de partículas decaem - ou se transformam - em neutrinos.

O alvo deve ser feito apenas com o material certo.

"As metas são cruciais para a pesquisa em física de partículas, "disse o cientista do Fermilab Bob Zwaska." Eles nos permitem criar todas essas novas partículas, como neutrinos, que queremos estudar. "

Grafite é um material goldilocks para alvos de neutrino. Se mantido na temperatura certa enquanto no feixe de prótons, o grafite gera partículas com a energia certa para se decompor em neutrinos.

Para alvos de nêutrons, como o da Spallation Neutron Source no Oak Ridge National Laboratory, metais mais pesados, como mercúrio, são usados.

A interação máxima é o objetivo do design de um alvo. O alvo para o experimento de neutrino NOvA do Fermilab, por exemplo, é uma linha reta - do tamanho de sua perna - de nadadeiras de grafite que se assemelham a dominós altos. O feixe de prótons percorre seu eixo, e cada encontro com uma barbatana produz uma interação. A forma fina do alvo garante que poucas das partículas disparadas após a colisão sejam reabsorvidas de volta para o alvo.

Alvos de partículas, resistir

"Enquanto os cientistas tiverem as partículas de que precisam para estudar, Eles estão felizes. Mas ao longo da linha, às vezes os alvos são danificados, "disse o engenheiro do Fermilab, Patrick Hurh. Nesses casos, os engenheiros precisam diminuir - ou ocasionalmente desligar - a potência do feixe. "Se o feixe não estiver em sua capacidade total ou estiver desligado, não estamos produzindo tantas partículas quanto podemos para a ciência. "

Quanto mais prótons são compactados no feixe, quanto mais interações eles têm com o alvo, e quanto mais partículas forem produzidas para pesquisa. Portanto, os alvos precisam estar na forma ideal tanto quanto possível. Isso geralmente significa substituir os alvos à medida que se desgastam, mas os engenheiros estão sempre explorando maneiras de melhorar a resistência do alvo, seja por meio de design ou material.

Considere quais alvos estão enfrentando. Não são apenas as colisões de alta energia - os tipos de interação que produzem partículas para estudo - que os alvos perduram.

Interações de baixa energia podem ter longo prazo, impactos negativos em um alvo, acumulando energia térmica dentro dela. À medida que a temperatura do material alvo aumenta, torna-se mais vulnerável a rachaduras. Expandir áreas quentes martela contra áreas frias, criando ondas de energia que desestabilizam sua estrutura.

Algumas das colisões em um feixe de alta energia também podem criar elementos leves, como hidrogênio ou hélio. Esses gases se acumulam com o tempo, criando bolhas e tornando o alvo menos resistente a danos.

Um próton do feixe pode até mesmo eliminar um átomo inteiro, perturbando a estrutura de cristal do alvo e fazendo com que perca durabilidade.

Claramente, ser um alvo não é piquenique, portanto, os cientistas e engenheiros estão sempre melhorando os alvos para melhor rolar com um soco.

Por exemplo, grafite, usado em experimentos de neutrino do Fermilab, é resistente à deformação térmica. E, uma vez que é poroso, gases acumulados que normalmente podem se prender entre os átomos e interromper seu arranjo podem, em vez disso, migrar para áreas abertas na estrutura atômica. O grafite é capaz de permanecer estável e suportar as ondas de energia do feixe de prótons.

Os engenheiros também encontram maneiras de manter uma temperatura-alvo constante. Eles projetam para que seja fácil manter a calma, integrando instrumentos de resfriamento adicionais no projeto de destino. Por exemplo, tubos de água externos ajudam a resfriar o alvo para o experimento de neutrino NOvA do Fermilab.

Alvos para feixes intensos de neutrinos

No Fermilab, cientistas e engenheiros também estão testando novos projetos para o que será o mais poderoso feixe de prótons do laboratório - o feixe para o carro-chefe do laboratório Long-Baseline Neutrino Facility e Deep Underground Neutrino Experiment, conhecido como LBNF / DUNE.

O LBNF / DUNE está programado para começar a operar na década de 2020. O experimento requer um feixe intenso de neutrinos de alta energia - os mais intensos do mundo. Apenas o feixe de prótons mais poderoso pode dar origem às quantidades de neutrinos que o LBNF / DUNE precisa.

Os cientistas estão atualmente nos estágios iniciais de teste para alvos LBNF / DUNE, investigando materiais que podem suportar os prótons de alta potência. Atualmente em execução estão berílio e grafite, que eles estão estendendo até seus limites. Depois de determinarem de forma conclusiva qual material sai por cima, eles passarão para a fase de prototipagem de design. Até aqui, a maioria dos testes apontam para o grafite como a melhor escolha.

Os alvos continuarão a evoluir e se adaptar. LBNF / DUNE fornece apenas um exemplo de alvos de próxima geração.

"Nossa pesquisa não está apenas orientando o design para LBNF / DUNE, "Hurh disse." É para a própria ciência. Sempre haverá feixes de partículas diferentes e mais poderosos, e os alvos evoluirão para enfrentar o desafio. "