No final da década de 2020, O Fermilab começará a enviar o feixe de neutrinos mais intenso do mundo através da crosta terrestre para detectores em Dakota do Sul para o experimento internacional Deep Underground Neutrino, ou DUNE. Quando o novo acelerador de partículas PIP-II estiver online, um intenso feixe de prótons viajará próximo à velocidade da luz através de uma série de componentes do acelerador subterrâneo antes de passar por janelas metálicas e colidir com um alvo estacionário para produzir os neutrinos. Os pesquisadores pretendem construir as janelas de uma liga de titânio e estão testando a resistência à fadiga de amostras expostas a feixes de prótons para ver como eles irão se comportar no novo complexo do acelerador.

Direto no alvo

Quando os cientistas do Fermilab começaram a produzir neutrinos para DUNE, eles têm que ser incrivelmente precisos. O acelerador PIP-II usará estruturas supercondutoras e ímãs poderosos para acelerar rajadas rápidas de microssegundos de prótons que são focados e direcionados na direção certa, voltado para os detectores DUNE em Dakota do Sul, antes de se chocarem contra o alvo produtor de neutrinos no local do Fermilab.

O alvo - que consiste em hastes de grafite com cerca de 1,5 metros de comprimento total - é separado do resto do acelerador em um recipiente cheio de hélio para ajudar a manter as temperaturas baixas.

Os prótons, viajando com sua energia máxima, entrar na embarcação através de uma janela, em seguida, acertou o alvo para produzir uma cascata de píons em rápida decomposição - partículas subatômicas de vida curta - que saem por uma segunda janela na parte de trás. Em menos de um segundo, os píons não terão apenas decaído em neutrinos, mas esses neutrinos - que quase não têm massa e viajam perto da velocidade da luz - terão alcançado seu destino em Dakota do Sul, uma viagem de 800 milhas.

Projetar a matriz de destino não é uma tarefa fácil, o que é especialmente verdadeiro para as janelas. Eles precisam ter resistência para suportar o feixe de prótons de alta potência e temperaturas superiores a 200 graus Celsius, tudo isso mantendo integridade estrutural suficiente para resistir às diferenças de pressão na janela. Não apenas isso, mas eles precisam ser o mais finos possível para minimizar a interação com o feixe de prótons. Por causa dessas condições extremas, as janelas do acelerador não são feitas de vidro, mas de metal.

Embora as janelas metálicas não deixem entrar muita luz em sua casa, eles não representam uma grande barreira para os feixes de partículas. Os átomos são compostos principalmente de espaço vazio, e os prótons de alta energia viajam pelos interstícios dentro e entre os átomos da janela com relativamente pouca interação.

Contudo, os feixes que passam pelas janelas são altamente energéticos, e a pequena fração de prótons que ricocheteiam nos núcleos nas janelas depositam energia na forma de ondas de calor e vibração, que representam o risco de ruptura do material e são uma grande fonte de preocupação para engenheiros e físicos.

"Essas janelas devem ser capazes de sustentar o calor gerado pela interação do feixe, "disse o pesquisador de pós-doutorado do Fermilab, Sujit Bidhar.

Todo esse aquecimento e resfriamento faz com que as janelas de viga se contraiam e se expandam rapidamente.

"O material alvo se expande em 10 microssegundos, "Bidhar disse." Mas o material ao redor não está se expandindo, porque não está interagindo diretamente com o feixe. Isso causa uma espécie de efeito de martelar, que chamamos de ondas de estresse. "

As ondas dentro do material são análogas a uma pessoa nadando em uma piscina; mover-se pela água cria ondas semelhantes que se espalhariam até a borda e ricocheteariam de volta ao seu ponto de origem. Se o nadador adicionasse energia extra fazendo uma bala de canhão na água, a onda aumentaria em amplitude e poderia se espalhar para o lado.

Como as janelas de destino nos aceleradores são sólidas, Contudo, ondas fortes que passam por eles enfraquecem o material ao longo do tempo por meio de um processo chamado fadiga, e em vez de ser capaz de respingar na lateral de uma piscina, o estresse induzido eventualmente fará com que a matriz se quebre. Não é uma questão de se, mas quando.

Prever a próxima grande chance

Os físicos têm grande interesse em saber exatamente quanto tempo cada componente do acelerador pode durar. Falhas inesperadas do equipamento podem levar a longos atrasos e contratempos.

Muitos aceleradores de partículas usam janelas de alvo feitas de berílio, um tipo raro de metal leve que, até agora, tem mostrado os melhores resultados graças à sua durabilidade excepcional. Mas os físicos e engenheiros estão constantemente procurando maneiras de inovar, e aqueles que desenvolvem janelas-alvo para DUNE estão investigando ligas de titânio, que podem ter propriedades que permitem que eles resistam melhor do que suas contrapartes de berílio.

"O titânio tem uma alta resistência específica, bem como uma alta resistência ao estresse de fadiga e corrosão, "disse Kavin Ammigan, engenheiro sênior do Fermilab. "Estamos testando para ver como essas propriedades críticas mudam quando o titânio é exposto a feixes de prótons."

Ligas de titânio têm sido usadas no Japan Proton Accelerator Research Complex - conhecido como J-PARC - por mais de uma década com resultados promissores. Com a atualização PIP-II do Fermilab, o complexo do acelerador de laboratório irá acelerar um feixe de intensidade muito mais alta do que o faz atualmente. A fim de prever quanto tempo durarão as janelas de titânio no Fermilab, os pesquisadores precisaram testar amostras usando energias de feixe semelhantes.

Amostras de fadiga de titânio fornecidas por pesquisadores do J-PARC foram enviadas ao Fermilab, onde suas propriedades mecânicas foram testadas. As amostras foram então atingidas por um intenso feixe de prótons no Laboratório Nacional de Brookhaven ao longo de oito semanas, depois disso, eles foram devolvidos ao Fermilab para outra rodada de testes para determinar exatamente como as propriedades da liga haviam mudado e se degradado com o tempo. Ao testar antes e depois de ser bombardeado por feixes de prótons, os pesquisadores podem prever aproximadamente quanto tempo as janelas feitas de titânio podem durar no acelerador atualizado.

Os dados gerados pelo projeto serão úteis não apenas para o Fermilab e a atualização do PIP-II, mas também para outras instituições e aceleradores futuros. O acelerador J-PARC, por exemplo, tem planos para aumentar a intensidade de seu feixe de partículas e será capaz de usar os resultados do estudo atual para prever a vida útil da janela alvo de titânio.

Com essas informações em mãos, Os pesquisadores do Fermilab serão capazes de gerenciar proativamente seus dispositivos de feixe. As janelas de titânio serão removidas antes do final de suas expectativas de vida projetadas e substituídas por novas, janelas infatigadas.

Ammigan, Os colegas de Bidhar e Fermilab concluíram seu primeiro lote de medições de amostra de liga de titânio e planejam ter um segundo lote concluído em alguns meses, depois disso, eles planejam publicar seus resultados.