Foi uma viagem noturna de três horas que encerrou uma jornada iniciada sete anos atrás.

Das 12h30 às 3h da sexta-feira, 16 de agosto, a primeira grande seção supercondutora de um acelerador de partículas que irá alimentar o maior experimento de neutrino do mundo abriu caminho ao longo de uma série de estradas de Chicagoland a uma velocidade deliberada de 10 milhas por hora.

Transportado em uma transportadora especial criada apenas para sua jornada de 25 milhas, às 3h07, a estrutura de nove toneladas entrou em sua residência permanente no Fermilab do Departamento de Energia. Chegou do Laboratório Nacional de Argonne, nas proximidades, também um laboratório nacional DOE.

O componente de alta tecnologia é o primeiro criomódulo concluído para o acelerador de partículas PIP-II, uma máquina poderosa que se tornará o coração do complexo de aceleradores do Fermilab. O acelerador irá gerar feixes de prótons de alta potência, que, por sua vez, produzirá o feixe de neutrino mais poderoso do mundo, para o experimento internacional Deep Underground Neutrino, hospedado pelo Fermilab e prevê o futuro a longo prazo do programa de pesquisa do Fermilab.

PIP-II é o primeiro projeto de acelerador de partículas nos Estados Unidos com contribuição internacional significativa, com cavidades e criomódulos construídos na França, Índia, Itália, o Reino Unido e os Estados Unidos.

O esforço do criomodulo em Argonne começou em 2012. Cientistas e engenheiros de Argonne lideraram seu projeto, trabalhar com uma equipe do Fermilab. O grupo Argonne também construiu o criomódulo, testou seus subcomponentes e os montou, evolução de um design usado em um dos aceleradores de partículas de Argonne.

E agora chegou.

"Há um significado profundo na chegada do primeiro criomódulo PIP-II:ele inaugura uma nova era para o complexo de aceleradores do Fermilab, a era da aceleração de radiofrequência supercondutora, "disse a Diretora do Projeto PIP-II do Fermilab, Lia Merminga.

O projeto do acelerador PIP-II

Um criomódulo é a unidade principal de um acelerador de partículas. Como os carros de um trem, os criomódulos são engatados de ponta a ponta. O acelerador linear PIP-II será composto por 23 deles, somando cerca de 200 metros, pista próxima à velocidade da luz para prótons poderosos.

Prótons muito poderosos. O novo acelerador habilitará um feixe de prótons de 1,2 megawatt para os experimentos do laboratório. Isso é 60% mais energia do que a corrente de aceleradores atuais do laboratório pode fornecer.

E é montado um cromódulo de cada vez. Cada um abriga uma série de cavidades de aceleração supercondutoras. Esses tubos de metal brilhante transmitem energia ao feixe, e eles também são colocados de ponta a ponta. Conforme o feixe de prótons dispara através de uma cavidade após a próxima, ele pega energia, graças aos campos eletromagnéticos dentro das cavidades, impulsionando o feixe para a frente.

No momento em que o feixe sai da cavidade final do último criomódulo PIP-II, terá ganho 800 milhões de elétron-volts de energia e viajar a 84% da velocidade da luz.

Então é realmente para as corridas:depois que a viga deixa o linac PIP-II, ele continuará por qualquer um de vários caminhos, avançando pelos aceleradores do Fermilab e, por fim, colidindo com um bloco de material. A chuva de partículas resultante será classificada e encaminhada para vários experimentos, onde os cientistas estudam esses pedaços de matéria para entender melhor como nosso universo opera em seu nível mais fundamental.

O aumento de 60% na potência do PIP-II - com o potencial de aumentar a potência na faixa de multimegawatt em um momento posterior - fornecerá mais partículas para os cientistas estudarem, acelerando o caminho para a descoberta.

Espera-se que o acelerador PIP-II seja integrado ao complexo de aceleradores do Fermilab em 2026.

Pegando a meia onda

O cromódulo PIP-II projetado por Argonne contém oito cavidades de aceleração que parecem grandes laços-borboleta de balão. Eles são um tipo especial, chamados ressonadores de meia onda. ("Meia onda, "porque o perfil do campo eletromagnético dentro dele se assemelha a metade de uma onda estacionária.)

O criomódulo do ressonador de meia onda será o primeiro na linha 23 e o único de seu tipo no PIP-II.

O trabalho do criomódulo do ressonador de meia onda é fazer o feixe funcionar quase assim que ele sair do portão, levando de 2 a 10 milhões de eletronvolts. Cada criomódulo depois disso dá sua vez, aumentando o feixe até sua energia final de 800 milhões de eletronvolts.

Seu design é baseado naqueles usados ​​no acelerador de partículas ATLAS da Argonne, que acelera íons pesados ​​para pesquisas em física nuclear.

A versão PIP-II apresenta algumas melhorias. Para um, o desempenho da cavidade é excelente, graças aos avanços na tecnologia de aceleração. As cavidades são feitas de nióbio supercondutor. Refinamentos na última década, tanto no tratamento de nióbio quanto na fabricação de cavidades, possibilitaram que as cavidades PIP-II conduzissem o feixe para energias mais altas em distâncias mais curtas em comparação com o ATLAS e outras cavidades comparáveis. Eles também são mais eficientes em termos de energia.

"Estamos orgulhosos das cavidades que construímos e de seu desempenho, "disse o físico de Argonne Zack Conway, que liderou o esforço para construir as cavidades. "Eles são realmente líderes mundiais."

O criomódulo mantém as cavidades em um frio de 2 kelvins, ou menos 270 graus Celsius. Supercondutos de nióbio a 9,2 K, mas seu desempenho sobe para 2 K. A criogenia avançada (o "crio" no criomódulo) garante que as cavidades PIP-II mantenham sua temperatura de resfriamento.

O resultado é um veículo de alto desempenho para viga.

"Tem sido bom colaborar com um de nossos laboratórios irmãos, "disse o cientista do Fermilab Joe Ozelis, que supervisiona o projeto do criomódulo. "Este modelo de esforço colaborativo com nossos parceiros é a chave para o sucesso futuro contínuo do PIP-II. É gratificante saber agora que pode realmente funcionar."

Hora de testar

O cromódulo recém-chegado ainda tem um longo caminho a percorrer antes de ser instalado permanentemente como parte do acelerador linear PIP-II. Pelos próximos meses, O grupo PIP-II do Fermilab irá realizar uma série de testes para garantir que atende às especificações. Então, Próximo ano, um grupo do Fermilab irá testá-lo com feixe, colocando o criomódulo em seus ritmos.

"O primeiro de tudo em um projeto como este é sempre emocionante, mas há mais para mim pessoalmente, "disse Genfa Wu, Físico do Fermilab e gerente do sistema PIP-II SRF e criogenia. "Este é o primeiro criomódulo supercondutor de beta baixo que testarei em minha experiência profissional."

É também uma análise inicial para a colaboração do cromódulo PIP-II de forma mais geral. Vinte e dois cromódulos ainda serão construídos e testados no Fermilab, dos quais 15 chegarão de fora dos Estados Unidos, incluindo um protótipo.

"PIP-II é uma colaboração internacional, "Wu disse." Estamos trabalhando ativamente com nossos parceiros internacionais para garantir que todos os criomódulos funcionem juntos. "

Parceiros na ciência global

A internacionalidade do PIP-II reflete o maior experimento que irá potencializar, o experimento Deep Underground Neutrino, apoiado pelo Long-Baseline Neutrino Facility no Fermilab. O principal projeto de ciência visa desvendar os mistérios dos neutrinos, partículas sutis que podem carregar a marca do início do universo.

Prótons do feixe PIP-II irão produzir um feixe de neutrinos, que será enviada por 800 milhas direto através da crosta terrestre do Fermilab para detectores de partículas localizados a uma milha abaixo do solo no Sanford Underground Research Facility em South Dakota. Os cientistas do DUNE vão estudar como os neutrinos se alteram nessa longa distância. Suas descobertas visam nos dizer por que vivemos em um universo dominado pela matéria.

Mais de 1, 000 cientistas de dezenas de países participam do LBNF / DUNE, que começará em meados da década de 2020. É um projeto global com objetivos de pesquisa ambiciosos. E quatro dos parceiros internacionais do LBNF / DUNE também contribuem para o PIP-II. Para os Estados Unidos, a natureza internacional do projeto PIP-II é uma nova forma de construir grandes projetos de aceleradores.

"O criomódulo ressonador de meia onda é um exemplo estelar de como os laboratórios DOE trabalham juntos para executar grandes projetos que envolvem aptidão tecnológica que nenhum laboratório sozinho possui, "Merminga disse." Aproveitando a experiência de Argonne em tecnologia de ressonador de meia onda, O Fermilab está dando um passo importante para concretizar seu futuro enquanto abre o caminho para ainda mais colaboração. Exatamente o mesmo princípio se aplica às nossas parcerias internacionais, tornando o PIP-II um novo paradigma muito poderoso para futuros projetos de aceleradores. "

E de certa forma, tudo está começando a se encaixar quando um caminhão com um enorme, Um contêiner de metal de alta tecnologia desce uma rua no meio da noite.

"A colaboração entre foi muito tranquila, desde o design até a fabricação, "Conway disse." Isso foi maravilhoso.

Ele paga dividendos em outras dimensões, também.

"Aprendemos muito com isso para futuras colaborações, e essas lições serão vitais para o projeto linac como um todo, "Disse Ozelis." Isso é mais do que institucional. É um esforço humano também. "