Para algunos, un objetivo es parte de un juego de dardos. Para otros, es una cadena minorista. En física de partículas, es el sitio de una intensa, entorno complejo que juega un papel crucial en la generación de los componentes más pequeños del universo para que los estudien los científicos.

El objetivo es un jugador no reconocido en los experimentos de física de partículas, a menudo pasando a un segundo plano frente a los rayos de partículas a la velocidad de la luz que roban escenas y los detectores de partículas gigantes. Sin embargo, muchos experimentos no existirían sin un objetivo. Y, no cometer errores, un objetivo que se sostiene es un jugador valioso.

Los científicos e ingenieros de Fermilab están investigando objetivos para el estudio de los neutrinos, partículas misteriosas que podrían ser la clave de la evolución del universo.

Interacciones intensas

El típico experimento de física de partículas se configura de dos formas. En el primero, dos haces de partículas energéticas chocan entre sí, generando una lluvia de otras partículas para que los científicos las estudien.

En el segundo, el rayo de partículas golpea un estacionario, material sólido:el objetivo. En esta configuración de objetivo fijo, el poderoso encuentro produce la lluvia de partículas.

Como plataforma de choque para haces intensos, un objetivo requiere una constitución resistente. Tiene que soportar repetidos ataques de rayos de alta potencia y resistir temperaturas altas.

Podrías pensar que como jugadores incondicionales en el juego de la producción de partículas, los objetivos se verían como la pared de una fortaleza (o tal vez te imaginaste un tablero de dardos). Pero los objetivos toman diferentes formas, largas y delgadas, voluminoso y ancho. También están hechos de diferentes materiales, dependiendo del tipo de partícula que se quiera hacer. Pueden ser de metal, agua o incluso nanofibras especialmente diseñadas.

En un experimento de objetivo fijo, la viga, digamos, un rayo de protones:corre hacia el objetivo, golpeándolo. Los protones en el haz interactúan con los núcleos del material objetivo, y las partículas resultantes se alejan del objetivo en todas direcciones. Luego, los imanes canalizan y acorralan algunas de estas partículas recién nacidas a un detector, donde los científicos miden sus propiedades fundamentales.

El lugar de nacimiento de las partículas

Las partículas que emergen de la interacción haz-objetivo dependen en gran parte del material objetivo. Considere los experimentos de neutrinos de Fermilab.

En estos experimentos, después de que los protones golpean el objetivo, algunas de las partículas de la lluvia de partículas subsiguiente se desintegran, o se transforman, en neutrinos.

El objetivo tiene que estar hecho del material adecuado.

"Los objetivos son cruciales para la investigación de la física de partículas, ", dijo el científico del Fermilab Bob Zwaska." Nos permiten crear todas estas nuevas partículas, como los neutrinos, que queremos estudiar ".

El grafito es un material de ricitos de oro para objetivos de neutrinos. Si se mantiene a la temperatura adecuada mientras está en el haz de protones, el grafito genera partículas de la energía justa para poder descomponerse en neutrinos.

Para objetivos de neutrones, como el de la fuente de espalación de neutrones en el laboratorio nacional de Oak Ridge, En su lugar, se utilizan metales más pesados ​​como el mercurio.

La máxima interacción es el objetivo del diseño de un objetivo. El objetivo del experimento de neutrinos NOvA de Fermilab, por ejemplo, es una fila recta, aproximadamente del largo de su pierna, de aletas de grafito que se asemejan a fichas de dominó altas. El haz de protones baja por su eje, y cada encuentro con una aleta produce una interacción. La forma delgada del objetivo asegura que pocas de las partículas que se disparan después de la colisión se reabsorban de nuevo en el objetivo.

Objetivos de partículas, resistir

"Siempre que los científicos tengan las partículas que necesitan para estudiar, están contentos. Pero al final de la línea a veces los objetivos se dañan, "dijo el ingeniero del Fermilab Patrick Hurh. En tales casos, los ingenieros tienen que reducir, u ocasionalmente apagar, la potencia del rayo. "Si el rayo no está a plena capacidad o está apagado, no estamos produciendo tantas partículas como podamos para la ciencia ".

Cuantos más protones se empaqueten en el haz, cuantas más interacciones tengan con el objetivo, y cuantas más partículas se produzcan para la investigación. Por lo tanto, los objetivos deben estar en plena forma tanto como sea posible. Por lo general, esto significa reemplazar los objetivos a medida que se desgastan, pero los ingenieros siempre están explorando formas de mejorar la resistencia del objetivo, ya sea a través del diseño o del material.

Considere a qué se enfrentan los objetivos. No son solo las colisiones de alta energía, el tipo de interacciones que producen partículas para el estudio, lo que perduran los objetivos.

Las interacciones de menor energía pueden tener a largo plazo, impactos negativos en un objetivo, acumulando energía térmica en su interior. A medida que el material objetivo aumenta de temperatura, se vuelve más vulnerable al agrietamiento. La expansión de las áreas cálidas golpea contra las áreas frías, creando ondas de energía que desestabilizan su estructura.

Algunas de las colisiones en un rayo de alta energía también pueden crear elementos livianos como hidrógeno o helio. Estos gases se acumulan con el tiempo, creando burbujas y haciendo que el objetivo sea menos resistente al daño.

Un protón del rayo puede incluso derribar un átomo entero, interrumpir la estructura cristalina del objetivo y hacer que pierda durabilidad.

Claramente, ser un objetivo no es un picnic, por lo que los científicos e ingenieros siempre están mejorando los objetivos para rodar mejor con un golpe.

Por ejemplo, grafito, utilizado en los experimentos de neutrinos de Fermilab, es resistente a la tensión térmica. Y, ya que es poroso, Los gases acumulados que normalmente podrían encajar entre los átomos y alterar su disposición pueden migrar en cambio a áreas abiertas en la estructura atómica. El grafito puede permanecer estable y resistir las ondas de energía del haz de protones.

Los ingenieros también encuentran formas de mantener una temperatura objetivo constante. Lo diseñan para que sea fácil de mantener fresco, Integrar instrumentos de refrigeración adicionales en el diseño de destino. Por ejemplo, Los tubos de agua externos ayudan a enfriar el objetivo del experimento de neutrinos NOvA de Fermilab.

Objetivos de intensos rayos de neutrinos

En Fermilab, Los científicos e ingenieros también están probando nuevos diseños para lo que será el haz de protones más poderoso del laboratorio:el haz para la instalación insignia de neutrinos de línea de base larga y el experimento de neutrinos subterráneos profundos. conocido como LBNF / DUNE.

Está previsto que LBNF / DUNE comience a operar en la década de 2020. El experimento requiere un intenso haz de neutrinos de alta energía, el más intenso del mundo. Solo el haz de protones más potente puede dar lugar a las cantidades de neutrinos que necesita LBNF / DUNE.

Los científicos se encuentran actualmente en las primeras etapas de prueba para objetivos LBNF / DUNE, investigando materiales que puedan soportar los protones de alta potencia. Actualmente en la carrera son el berilio y el grafito, que están extendiendo hasta sus límites. Una vez que determinan de manera concluyente qué material sale en la parte superior, pasarán a la fase de creación de prototipos de diseño. Hasta aquí, la mayoría de sus pruebas apuntan al grafito como la mejor opción.

Los objetivos seguirán evolucionando y adaptándose. LBNF / DUNE proporciona solo un ejemplo de objetivos de próxima generación.

"Nuestra investigación no solo está guiando el diseño de LBNF / DUNE, "Dijo Hurh." Es para la ciencia en sí. Siempre habrá haces de partículas diferentes y más potentes, y los objetivos evolucionarán para afrontar el desafío ".