O que você precisa para fazer o feixe de neutrinos mais intenso do mundo? Apenas alguns ímãs e grafite. Mas não suas coisas domésticas habituais. Afinal, este é o feixe de neutrinos de alta energia mais intenso do mundo, portanto, estamos falando de peças de tamanho jumbo:ímãs do tamanho de bancos de jardim e hastes ultrapuras de grafite da altura de Danny DeVito.

Experimentos de física que ampliam o conhecimento humano tendem a funcionar nos extremos:nas escalas maiores e menores, as intensidades mais altas. Todos os três são verdadeiros para o experimento internacional Deep Underground Neutrino, hospedado pelo Fermilab do Departamento de Energia. O experimento reúne mais de 1, 000 pessoas de mais de 30 países para resolver questões que têm mantido muitas pessoas acordadas à noite:Por que o universo está cheio de matéria e não de antimatéria, ou não importa? Faça prótons, um dos blocos de construção dos átomos (e de nós), nunca decai? Como os buracos negros se formam? E deixei o fogão aceso?

Talvez não seja o último.

Para resolver as maiores questões, DUNE vai olhar para partículas subatômicas misteriosas chamadas neutrinos:neutras, fantasmas finos que raramente interagem com a matéria. Como os neutrinos são tão anti-sociais, os cientistas construirão enormes detectores de partículas para capturá-los e estudá-los. Mais matéria dentro dos detectores DUNE significa mais coisas para os neutrinos interagirem, e essas armadilhas gigantescas de neutrinos conterão um total de 70, 000 toneladas de argônio líquido. Em sua casa, 1,5 km abaixo da rocha no Centro de Pesquisas Subterrâneas de Sanford, em Dakota do Sul, eles serão protegidos dos raios cósmicos interferentes - embora os neutrinos não tenham problemas para passar por esse buffer e atingir seu alvo. Os detectores podem pegar neutrinos de estrelas em explosão que podem evoluir para buracos negros e capturar interações de um feixe de neutrinos deliberadamente direcionado.

Neutrinos (e suas contrapartes de antimatéria, antineutrinos) nascem à medida que outras partículas decaem, carregando pequenas quantidades de energia para equilibrar o livro-razão cósmico. Você vai encontrá-los vindo em massa de estrelas como o nosso sol, dentro da Terra, até mesmo o potássio nas bananas. Mas se você quiser fazer trilhões de neutrinos de alta energia a cada segundo e enviá-los a um detector de partículas nas profundezas do subsolo, seria difícil fazer isso atirando frutas em South Dakota.

É aí que entra o complexo do acelerador de partículas do Fermilab.

O Fermilab envia partículas por meio de uma série de aceleradores, cada um adicionando uma explosão de velocidade e energia. Já foram iniciados os trabalhos de atualização do complexo que incluirá um novo acelerador linear no início da viagem:o PIP-II. Este é o primeiro projeto de aceleração nos Estados Unidos com grandes contribuições internacionais, e irá propelir partículas a 84% da velocidade da luz conforme elas viajam pelo comprimento de dois campos de futebol. As partículas então entram no Booster Ring para outro ... bem, impulsionar, e, finalmente, vá para o injetor principal, O acelerador mais poderoso do Fermilab.

A reviravolta? Os aceleradores de partículas do Fermilab impulsionam prótons - partículas úteis, mas não aqueles que os cientistas de neutrinos querem estudar.

Então, como os pesquisadores planejam transformar o primeiro feixe de megawatts de prótons do Fermilab nos trilhões de neutrinos de alta energia de que precisam para o DUNE a cada segundo? Isso exige alguma infraestrutura extra:A Instalação de Neutrinos de Linha de Base Longa, ou LBNF. Uma linha de base longa significa que o LBNF enviará seus neutrinos a uma longa distância - 1, 300 quilômetros, do Fermilab ao Sanford Lab - e a instalação de neutrinos significa ... vamos fazer alguns neutrinos.

Etapa 1:pegue alguns prótons

A primeira etapa é extrair as partículas do injetor principal - caso contrário, o acelerador circular funcionará mais como um carrossel. Os engenheiros precisarão construir e conectar uma nova linha de luz. Isso não é tarefa fácil, considerando todos os utilitários, outras linhas de luz, e ímãs do injetor principal ao redor.

“É uma das áreas mais congestionadas do complexo de aceleradores do Fermilab, "disse Elaine McCluskey, o gerente de projetos do LBNF no Fermilab. O trabalho de preparação do local, começando no Fermilab em 2019, tirará alguns dos serviços públicos do caminho. Mais tarde, quando chegar a hora da construção da linha de luz LBNF, o complexo do acelerador desligará temporariamente.

As equipes irão mover alguns dos ímãs do injetor principal com segurança para fora do caminho e perfurar o compartimento do acelerador. Eles vão construir uma nova área de extração e fechamento de viga, em seguida, reinstale os ímãs do injetor principal com uma nova adição construída no Fermilab:ímãs kicker para mudar o curso do feixe. Eles também construirão a nova linha de luz LBNF, usando 24 ímãs dipolo e 17 quadrupolo, a maioria deles construída pelo Bhabha Atomic Research Centre na Índia.

Etapa 2:Objetivo

Os neutrinos são partículas complicadas. Porque eles são neutros, eles não podem ser dirigidos por forças magnéticas da mesma forma que as partículas carregadas (como os prótons). Uma vez que um neutrino nasce, continua indo na direção em que estava indo, como uma criança montando o escorregador "N. Slide" mais longo do mundo. Essa propriedade torna os neutrinos grandes mensageiros cósmicos, mas significa um passo a mais para os engenheiros ligados à Terra:mira.

À medida que constroem a linha de luz LBNF, equipes irão armar ao longo da curva de uma colina de 18 metros de altura. Quando os prótons descem a colina, eles serão apontados para os detectores DUNE em South Dakota. Uma vez que os neutrinos nascem, eles vão continuar na mesma direção, nenhum túnel necessário.

Com todos os ímãs no lugar e tudo bem selado, os operadores do acelerador serão capazes de direcionar prótons para baixo da nova linha de luz, como mudar um trem em uma linha. Mas em vez de parar em uma estação, as partículas correrão a toda velocidade em direção a um alvo.

Etapa 3:quebrar coisas

O alvo é uma peça crucial de engenharia. Enquanto ainda está sendo projetado, é provável que seja um bastão de grafite puro com 1,5 metro de comprimento - pense na grafite de seu lápis com esteróides.

Junto com algum outro equipamento, vai ficar dentro do salão alvo, uma sala selada cheia de nitrogênio gasoso. O DUNE iniciará com um feixe de prótons que funcionará com mais de 1 megawatt de potência, e já há planos para atualizar o feixe para 2,4 megawatts. Quase tudo que está sendo construído para LBNF é projetado para suportar essa intensidade de feixe mais alta.

Por causa do poder do feixe recorde, manipular qualquer coisa dentro do corredor selado provavelmente exigirá a ajuda de alguns amigos robôs controlados de fora das paredes grossas. Engenheiros da KEK, a organização de pesquisa de aceleradores de alta energia no Japão, estão trabalhando em protótipos para elementos do design do hall de destino LBNF selado.

O feixe de prótons de alta potência entrará na sala de destino e se chocará com o grafite como bolas de boliche acertando pinos, depositando sua energia e liberando um spray de novas partículas - principalmente píons e kaons.

"Esses alvos têm uma vida muito difícil, "disse Chris Densham, líder do grupo para alvos de alta potência no Laboratório Rutherford Appleton do STFC no Reino Unido, que é responsável pelo projeto e produção do alvo para o feixe de um megawatt. "Cada pulso de próton faz com que a temperatura suba algumas centenas de graus em alguns microssegundos."

O alvo LBNF irá operar em torno de 500 graus Celsius em uma espécie de cenário Goldilocks. O grafite funciona bem quando está quente, mas não muito quente, portanto, os engenheiros precisarão remover o excesso de calor. Mas eles não podem deixar ficar muito legal, qualquer. Água, que é usado em alguns projetos de destino atuais, forneceria muito resfriamento, por isso, os especialistas da RAL também estão desenvolvendo um novo método. O projeto atual proposto circula hélio gasoso, que estará se movendo a cerca de 720 quilômetros por hora - a velocidade de um avião de cruzeiro - no momento em que sair do sistema.

Etapa 4:concentre-se nos detritos

Conforme os prótons atingem o alvo e produzem píons e kaons, dispositivos chamados de chifres de foco assumem o controle. Os píons e kaons são eletricamente carregados, e esses imãs gigantes direcionam o spray de volta para um feixe focalizado. Uma série de três chifres que serão projetados e construídos no Fermilab irão corrigir os caminhos das partículas e direcioná-los para os detectores no Laboratório Sanford.

Para que o design funcione, o alvo - um tubo cilíndrico - deve sentar-se dentro do primeiro chifre, em balanço no lado a montante. Isso causa alguns desafios de engenharia interessantes. Tudo se resume a um equilíbrio entre o que os físicos desejam - um alvo mais longo que pode permanecer em serviço por mais tempo - com o que os engenheiros podem construir. O alvo tem apenas alguns centímetros de diâmetro, e cada centímetro extra de comprimento torna mais provável que ele caia sob a barragem de prótons e a atração da gravidade da Terra.

Muito parecido com um jogo de Operação, os físicos não querem que o alvo toque as laterais do chifre.

Para criar o campo de foco, os chifres metálicos recebem um 300, Pulso eletromagnético de 000 ampères cerca de uma vez por segundo - fornecendo mais carga do que um poderoso relâmpago. Se você estivesse ao lado dele, você gostaria de enfiar os dedos nos ouvidos para bloquear o ruído - e certamente não gostaria que nada tocasse os chifres, incluindo grafite. Os engenheiros poderiam apoiar o alvo de ambas as extremidades, mas isso tornaria a remoção e substituição inevitáveis ​​muito mais complicadas.

"Quanto mais simples você puder, o melhor, "Densham disse." Há sempre a tentação de fazer algo inteligente e complicado, mas queremos torná-lo o mais burro possível, então há menos coisas para dar errado. "

Etapa 5:a física acontece

Focado em um feixe, os píons e kaons saem do salão de destino e viajam por um túnel de 200 metros cheio de hélio. Como eles fazem, eles decaem, dando à luz neutrinos e alguns amigos de partículas. Os pesquisadores também podem mudar os chifres para focalizar partículas com a carga oposta, que então se decomporá em antineutrinos. A blindagem no final do túnel absorve as partículas extras, enquanto os neutrinos ou antineutrinos navegam, imperturbável, direto através da sujeira e da rocha, em direção ao seu destino Dakota do Sul.

"LBNF é um projeto complexo, com muitas peças que precisam funcionar juntas, "disse Jonathan Lewis, o gerente de projeto LBNF Beamline. "É o futuro do laboratório, o futuro do campo nos Estados Unidos, e um projeto emocionante e desafiador. A perspectiva de descobrir as propriedades dos neutrinos é uma ciência estimulante. "

Os cientistas da DUNE vão examinar o feixe de neutrinos no Fermilab logo após sua produção, usando um sofisticado detector de partículas no local, colocado bem no caminho do feixe. A maioria dos neutrinos vai passar direto pelo detector, como eles fazem com toda a matéria. Mas uma pequena fração irá colidir com átomos dentro do detector DUNE próximo ao local, fornecendo informações valiosas sobre a composição do feixe de neutrino, bem como interações de neutrino de alta energia com a matéria.

Então é hora de se despedir dos outros neutrinos. Seja rápido - o seu 1, A jornada de 300 quilômetros perto da velocidade da luz levará quatro milissegundos, nem perto de quanto tempo leva para piscar. Mas para os cientistas DUNE, o trabalho estará apenas começando.