O complexo de aceleradores do Fermilab atingiu um marco importante:O Departamento de Energia dos EUA aprovou formalmente o Laboratório Nacional de Aceleradores Fermi para prosseguir com o projeto do PIP-II, um projeto de atualização do acelerador que fornecerá maior poder de feixe para gerar um fluxo sem precedentes de neutrinos - partículas subatômicas que poderiam desbloquear nossa compreensão do universo - e permitir um amplo programa de pesquisa em física por muitos anos.

As atualizações do acelerador PIP-II (Proton Improvement Plan II) são essenciais para o Experimento Deep Underground Neutrino (DUNE) hospedado pelo Fermilab, que é o maior experimento científico internacional já realizado em solo dos EUA. DUNE requer enormes quantidades de neutrinos para estudar a partícula misteriosa em detalhes requintados e, com a última aprovação para PIP-II, O Fermilab está posicionado para ser o líder mundial na pesquisa de neutrinos baseados em aceleradores. O Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF), que também suportará DUNE, teve sua cerimônia de inauguração em julho de 2017.

A oportunidade de contribuir com o PIP-II atraiu cientistas e engenheiros de todo o mundo para o Fermilab:o PIP-II é o primeiro projeto de aceleração em solo dos EUA que terá contribuições significativas de parceiros internacionais. As parcerias PIP-II do Fermilab incluem instituições na Índia, Itália, França e Reino Unido, bem como nos Estados Unidos.

O PIP-II capitaliza os avanços recentes dos aceleradores de partículas desenvolvidos no Fermilab e outras instituições que permitirão que seus aceleradores gerem feixes de partículas em potências mais elevadas do que as disponíveis anteriormente. Os feixes de partículas de alta potência, por sua vez, criarão feixes intensos de neutrinos, fornecendo aos cientistas uma abundância dessas partículas sutis.

"Os aceleradores de alta potência do PIP-II e suas parcerias nacionais e multinacionais reforçam a posição do Fermilab como a capital mundial da física de neutrinos baseada em aceleradores, "disse o Subsecretário de Ciência do DOE, Paul Dabbar." LBNF / DUNE, o experimento de megaciência baseado no Fermilab para pesquisa de neutrinos, já atraiu mais de 1, 000 colaboradores de 32 países. Com o lado acelerador do experimento crescendo na forma de PIP-II, não só o Fermilab atrai colaboradores em todo o mundo para fazer ciência de neutrinos, mas a física de partículas dos EUA também recebe um impulso poderoso. "

Um marco importante

O marco DOE é formalmente chamado de aprovação de Decisão Crítica 1, ou CD-1. Ao conceder o CD-1, O DOE aprova a abordagem e a faixa de custos do Fermilab. O marco marca a conclusão da fase de definição do projeto e do design conceitual. A próxima etapa é mover o projeto em direção ao estabelecimento de uma linha de base de desempenho.

"Pensamos no PIP-II como o coração do Fermilab:uma plataforma que fornece vários recursos e permite amplos programas científicos, incluindo a fonte de neutrino baseada em acelerador mais poderosa do mundo, "disse a Diretora de Projeto do Fermilab PIP-II, Lia Merminga." Com o sinal verde para refinar nosso projeto, podemos nos concentrar no projeto do complexo do acelerador PIP-II para ser o mais poderoso e flexível possível. "

O poderoso fluxo de neutrino do PIP-II

Neutrinos são partículas onipresentes, mas fugazes, o mais difícil de capturar de todos os membros da família das partículas subatômicas. Os cientistas os capturam enviando feixes de neutrinos gerados a partir de aceleradores de partículas para grandes, detectores de histórias de alta. Quanto maior o número de neutrinos enviados aos detectores, quanto maior a chance de os detectores pegá-los, e quanto mais oportunidade houver para estudar esses artistas de escape subatômicos.

É aí que entra o PIP-II.

O complexo acelerador PIP-II atualizado do Fermilab irá gerar feixes de prótons de potência significativamente maior do que a atualmente disponível. O aumento na potência do feixe se traduz em mais neutrinos que podem ser enviados para os vários experimentos de neutrinos do laboratório. O resultado será o feixe de neutrinos de alta energia mais intenso do mundo.

O objetivo do PIP-II é produzir um feixe de prótons de mais de 1 megawatt, cerca de 60 por cento maior do que os suprimentos complexos de aceleradores existentes. Eventualmente, habilitado por PIP-II, O Fermilab poderia atualizar o acelerador para dobrar essa potência para mais de 2 megawatts.

"Com esse poder, podemos simplesmente inundar os detectores com neutrinos, "disse o co-porta-voz do DUNE e físico da Universidade de Chicago Ed Blucher." Isso é o que há de tão empolgante. Cada neutrino que pára em nossos detectores adiciona um pouco de informação à nossa imagem do universo. E quanto mais neutrinos param, quanto mais perto chegamos de preencher a imagem. "

Os maiores e mais ambiciosos desses detectores são os de DUNE, que está programado para iniciar em meados da década de 2020. O DUNE usará dois detectores separados por uma distância de 800 milhas (1, 300 quilômetros) - um no Fermilab e um segundo, detector muito maior situado a 1,6 km no subsolo em Dakota do Sul, no Sanford Underground Research Facility. Protótipos desses detectores de neutrino tecnologicamente avançados estão agora em construção no laboratório europeu de física de partículas CERN, que é um dos principais parceiros da LBNF / DUNE, e espera-se que receba dados ainda este ano.

Aceleradores do Fermilab, aprimorado de acordo com o plano PIP-II, irá enviar um feixe de neutrinos para o detector DUNE no Fermilab. O feixe continuará seu caminho direto pela crosta terrestre até o detector em Dakota do Sul. Os cientistas vão estudar os dados coletados por ambos os detectores, compará-los para entender melhor como as propriedades dos neutrinos mudam em longas distâncias.

O detector localizado em Dakota do Sul, conhecido como detector DUNE far, é enorme. Terá quatro pavimentos e ocupará uma área equivalente a um campo de futebol. Com sua plataforma de suporte LBNF, O DUNE foi projetado para lidar com um dilúvio de neutrinos.

E, com a cooperação de parceiros internacionais, O PIP-II foi projetado para entregar isso.

Parceiros em PIP-II

O desenvolvimento de um grande acelerador de partículas com participação internacional representa um novo paradigma em projetos de aceleradores nos EUA:PIP-II é o primeiro projeto de acelerador com base nos EUA com parceiros multinacionais. Atualmente, isso inclui laboratórios na Índia (BARC, IUAC, RRCAT, VECC) e instituições financiadas na Itália pelo Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN), França (CEA e IN2P3), e no Reino Unido pelo Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia (STFC).

Em um acordo com a Índia, quatro instituições do Departamento de Energia Atômica da Índia estão autorizadas a contribuir com equipamentos, com detalhes a serem formalizados antes do início da construção.

"A comunidade científica internacional traz expertise e capacidades de liderança mundial para o projeto. Seu envolvimento e senso de propriedade compartilhado no sucesso do projeto estão entre os pontos fortes mais atraentes do PIP-II, "Disse Merminga.

Os parceiros PIP-II contribuem com componentes aceleradores, buscando seu desenvolvimento em conjunto com o Fermilab por meio de intercâmbios regulares de cientistas e engenheiros. A colaboração é mutuamente benéfica. Para alguns parceiros internacionais, esta colaboração apresenta uma oportunidade para o desenvolvimento de suas próprias instalações e infraestrutura, bem como da indústria local de aceleradores.

Tecnologia supercondutora de aceleração

A peça central do projeto PIP-II é a construção de um novo acelerador linear de radiofrequência supercondutor (SRF), que se tornará o estágio inicial da cadeia de aceleradores do Fermilab atualizada. Ele substituirá o atual Fermilab Linac. ("Linac" é uma abreviatura comum para "acelerador linear, "no qual o feixe de partículas prossegue ao longo de um caminho reto.) O plano é instalar o linac SRF sob 25 pés de sujeira no campo interno do anel de Tevatron agora desativado.

O novo linac SRF proporcionará um grande impulso ao seu feixe de partículas desde o início, dobrando a energia do feixe de seu antecessor de 400 milhões para 800 milhões de eletronvolts. Esse impulso permitirá que o complexo do acelerador do Fermilab alcance uma potência de feixe em escala de megawatts.

Materiais supercondutores têm resistência elétrica zero, então a corrente passa por eles sem esforço. Aproveitando os componentes supercondutores, aceleradores minimizam a quantidade de energia que consomem da rede elétrica, canalizando mais para o feixe. Os feixes, portanto, alcançam energias mais altas com menos custo do que em aceleradores de condução normal, como o atual Linac do Fermilab.

No linac, componentes supercondutores chamados cavidades de aceleração transmitirão energia ao feixe de partículas. As cavidades, que se parecem com fios de jumbo, pérolas de prata, são feitos de nióbio e serão alinhados de ponta a ponta. O feixe de partículas irá acelerar no eixo de uma cavidade após a outra, captando energia conforme ela avança.

"O Fermilab é um dos pioneiros na tecnologia de aceleradores supercondutores, "Merminga disse." Muitos dos avanços desenvolvidos aqui estão indo para o linac PIP-II SRF. "

As cavidades lineares serão encerradas em 25 criomódulos, que abrigam a criogenia para manter as cavidades frias (para manter a supercondutividade).

Muitos aceleradores de partículas atuais e futuros são baseados em tecnologia supercondutora, e os avanços que ajudam os cientistas a estudar os neutrinos têm efeitos multiplicadores fora da ciência fundamental. Os pesquisadores estão desenvolvendo aceleradores supercondutores para a medicina, limpeza ambiental, Computação quântica, indústria e segurança nacional.

O esquema de feixe

No PIP-II, um feixe de prótons será injetado no linac. Ao longo de seus 176 metros - comprimentos de piscina olímpica de seis anos e meio - o feixe irá acelerar a uma energia de 800 milhões de eletronvolts. Uma vez que passa pelo linac supercondutor, ele entrará no resto da corrente de aceleradores do Fermilab - mais três aceleradores - que também sofrerá atualizações significativas nos próximos anos para lidar com o feixe de alta energia do novo linac. No momento em que o feixe sai do acelerador final, terá uma energia de até 120 bilhões de eletronvolts e mais de 1 megawatt de potência.

Depois que o feixe de prótons sai da cadeia, ele atingirá um cilindro segmentado de carbono. A colisão feixe de carbono criará uma chuva de outras partículas, que será encaminhado para vários experimentos do Fermilab. Algumas dessas partículas pós-colisão se tornarão - irão "decair em, "no jargão da física - neutrinos, que neste ponto já estará a caminho de seus detectores.

O feixe de prótons inicial do PIP-II - que os cientistas serão capazes de distribuir entre LBNF / DUNE e outros experimentos - pode ser entregue em pulsos ou como um fluxo contínuo de prótons.

Os componentes front-end para PIP-II - aqueles a montante do linac supercondutor - já estão desenvolvidos e em teste.

"Estamos muito felizes por termos sido capazes de projetar o PIP-II para atender aos requisitos do programa de neutrinos, proporcionando flexibilidade para o desenvolvimento futuro do programa experimental do Fermilab em qualquer número de direções, "disse Steve Holmes do Fermilab, ex-diretor do projeto PIP-II.

O Fermilab espera concluir o projeto em meados da década de 2020, a tempo para o arranque do LBNF / DUNE.

"Muitas pessoas trabalharam incansavelmente para projetar a melhor máquina para a ciência que queremos fazer, "Merminga disse." O reconhecimento de seu excelente trabalho através da aprovação do CD-1 é encorajador para nós. Estamos ansiosos para construir este acelerador de vanguarda. "