El complejo de aceleradores de Fermilab ha logrado un hito importante:el Departamento de Energía de EE. UU. Aprobó formalmente el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi para continuar con el diseño de PIP-II, un proyecto de actualización del acelerador que proporcionará una mayor potencia de haz para generar una corriente sin precedentes de neutrinos —partículas subatómicas que podrían desbloquear nuestra comprensión del universo— y permitir un amplio programa de investigación en física durante muchos años por venir.

Las actualizaciones del acelerador PIP-II (Proton Improvement Plan II) son parte integral del Experimento Deep Underground Neutrino (DUNE) alojado en Fermilab, que es el experimento científico internacional más grande jamás realizado en suelo estadounidense. DUNE requiere enormes cantidades de neutrinos para estudiar la misteriosa partícula con exquisito detalle y, con la última aprobación para PIP-II, Fermilab está posicionado para ser el líder mundial en la investigación de neutrinos basada en aceleradores. La instalación de neutrinos de línea de base larga (LBNF), que también apoyará a DUNE, tuvo su ceremonia de inauguración en julio de 2017.

La oportunidad de contribuir a PIP-II ha atraído a científicos e ingenieros de todo el mundo a Fermilab:PIP-II es el primer proyecto de aceleración en suelo estadounidense que contará con importantes contribuciones de socios internacionales. Las asociaciones PIP-II de Fermilab incluyen instituciones en India, Italia, Francia y Reino Unido, así como los Estados Unidos.

PIP-II aprovecha los recientes avances en aceleradores de partículas desarrollados en Fermilab y otras instituciones que permitirán que sus aceleradores generen haces de partículas a potencias más altas que las disponibles anteriormente. Los rayos de partículas de alta potencia crearán a su vez intensos rayos de neutrinos, proporcionando a los científicos una gran cantidad de estas partículas sutiles.

"Los aceleradores de alta potencia de PIP-II y sus asociaciones nacionales y multinacionales refuerzan la posición de Fermilab como la capital mundial de la física de neutrinos basada en aceleradores, ", dijo el subsecretario de ciencia del DOE, Paul Dabbar". LBNF / DUNE, el experimento de megaciencia basado en Fermilab para la investigación de neutrinos, ya ha atraído a más de 1, 000 colaboradores de 32 países. Con el lado del acelerador del experimento aumentando en forma de PIP-II, Fermilab no solo atrae a colaboradores en todo el mundo para hacer ciencia de neutrinos, pero la física de partículas de EE. UU. también recibe un poderoso impulso ".

Un hito importante

El hito del DOE se denomina formalmente aprobación de la Decisión crítica 1, o CD-1. Al otorgar CD-1, El DOE aprueba el enfoque y el rango de costos de Fermilab. El hito marca la finalización de la fase de definición del proyecto y el diseño conceptual. El siguiente paso es hacer avanzar el proyecto hacia el establecimiento de una línea de base de desempeño.

"Pensamos en PIP-II como el corazón de Fermilab:una plataforma que proporciona múltiples capacidades y habilita amplios programas científicos, incluida la fuente de neutrinos basada en aceleradores más potente del mundo, ", dijo Lia Merminga, directora del proyecto PIP-II de Fermilab. Con el visto bueno para perfeccionar nuestro plan, podemos concentrarnos en diseñar el complejo de aceleradores PIP-II para que sea lo más potente y flexible posible ".

La poderosa corriente de neutrinos de PIP-II

Los neutrinos son partículas ubicuas pero fugaces, el más difícil de capturar de todos los miembros de la familia de partículas subatómicas. Los científicos los capturan enviando haces de neutrinos generados por aceleradores de partículas a grandes detectores de pisos de altura. Cuanto mayor sea el número de neutrinos enviados a los detectores, mayores serán las posibilidades de que los detectores los detecten, y más oportunidades hay de estudiar a estos artistas del escape subatómico.

Ahí es donde entra en juego PIP-II.

El complejo acelerador PIP-II mejorado de Fermilab generará haces de protones de una potencia significativamente mayor que la disponible actualmente. El aumento en la potencia del haz se traduce en más neutrinos que se pueden enviar a los diversos experimentos de neutrinos del laboratorio. El resultado será el haz de neutrinos de alta energía más intenso del mundo.

El objetivo de PIP-II es producir un haz de protones de más de 1 megavatio, aproximadamente un 60 por ciento más alto que los suministros del complejo de aceleradores existentes. Finalmente, habilitado por PIP-II, Fermilab podría actualizar el acelerador para duplicar esa potencia a más de 2 megavatios.

"En ese poder, podemos inundar los detectores con neutrinos, ", dijo el co-portavoz de DUNE y físico de la Universidad de Chicago, Ed Blucher." Eso es lo que es tan emocionante. Cada neutrino que se detiene en nuestros detectores agrega un poco de información a nuestra imagen del universo. Y cuantos más neutrinos se detengan, cuanto más nos acercamos a completar la imagen ".

Los más grandes y ambiciosos de estos detectores son los de DUNE, que está programado para comenzar a mediados de la década de 2020. DUNE utilizará dos detectores separados por una distancia de 800 millas (1, 300 kilómetros), una en Fermilab y una segunda, detector mucho más grande situado a una milla bajo tierra en Dakota del Sur en la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford. Los prototipos de esos detectores de neutrinos tecnológicamente avanzados se están construyendo ahora en el laboratorio europeo de física de partículas CERN. que es un socio importante en LBNF / DUNE, y se espera que obtengan datos a finales de este año.

Aceleradores de Fermilab, mejorado de acuerdo con el plan PIP-II, enviará un rayo de neutrinos al detector DUNE en Fermilab. El rayo continuará su camino directamente a través de la corteza terrestre hasta el detector en Dakota del Sur. Los científicos estudiarán los datos recopilados por ambos detectores, compararlos para comprender mejor cómo cambian las propiedades de los neutrinos a larga distancia.

El detector ubicado en Dakota del Sur, conocido como el detector de distancia DUNE, es enorme. Tendrá cuatro pisos de altura y ocupará un área equivalente a una cancha de fútbol. Con su plataforma de soporte LBNF, DUNE está diseñado para manejar un diluvio de neutrinos.

Y, con la cooperación de socios internacionales, PIP-II está diseñado para ofrecerlo.

Socios en PIP-II

El desarrollo de un importante acelerador de partículas con participación internacional representa un nuevo paradigma en los proyectos de aceleración de EE. UU.:PIP-II es el primer proyecto de aceleración con sede en EE. UU. Con socios multinacionales. Actualmente, estos incluyen laboratorios en India (BARC, IUAC, RRCAT, VECC) e instituciones financiadas en Italia por el Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN), Francia (CEA e IN2P3), y en el Reino Unido por el Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología (STFC).

En un acuerdo con India, cuatro instituciones del Departamento de Energía Atómica de la India están autorizadas a aportar equipo, con detalles a formalizar antes del inicio de la construcción.

"La comunidad científica internacional aporta al proyecto experiencia y capacidades líderes en el mundo. Su compromiso y sentido compartido de propiedad en el éxito del proyecto se encuentran entre las fortalezas más convincentes de PIP-II, "Dijo Merminga.

Los socios de PIP-II contribuyen con componentes de acelerador, Prosiguiendo su desarrollo junto con Fermilab a través de intercambios regulares de científicos e ingenieros. La colaboración es mutuamente beneficiosa. Para algunos socios internacionales, esta colaboración presenta una oportunidad para el desarrollo de sus propias instalaciones e infraestructura, así como para la industria aceleradora local.

Acelerando la tecnología superconductora

La pieza central del proyecto PIP-II es la construcción de un nuevo acelerador lineal superconductor de radiofrecuencia (SRF), que se convertirá en la etapa inicial de la cadena mejorada del acelerador Fermilab. Reemplazará al actual Fermilab Linac. ("Linac" es una abreviatura común de "acelerador lineal, "en el que el haz de partículas avanza a lo largo de una trayectoria recta.) El plan es instalar el SRF linac bajo 25 pies de tierra en el interior del ahora desmantelado anillo Tevatron.

El nuevo SRF linac proporcionará un gran impulso a su haz de partículas desde el principio, duplicando la energía del haz de su predecesor de 400 millones a 800 millones de electronvoltios. Ese impulso permitirá que el complejo acelerador Fermilab logre una potencia de haz a escala de megavatios.

Los materiales superconductores no tienen resistencia eléctrica, tan actual navega a través de ellos sin esfuerzo. Aprovechando los componentes superconductores, los aceleradores minimizan la cantidad de energía que extraen de la red eléctrica, canalizando más hacia la viga. Las vigas logran así energías más altas a menor costo que en los aceleradores de conducción normal, como el actual Linac de Fermilab.

En el linac, Los componentes superconductores llamados cavidades aceleradoras impartirán energía al haz de partículas. Las caries, que parecen hebras de jumbo, perlas de plata, están hechos de niobio y se alinearán de punta a punta. El haz de partículas se acelerará por el eje de una cavidad tras otra, recogiendo energía a medida que avanza.

"Fermilab es uno de los pioneros en tecnología de aceleradores superconductores, ", Dijo Merminga." Muchos de los avances desarrollados aquí van hacia el linac PIP-II SRF ".

Las cavidades de linac estarán encerradas en 25 cromódulos, que albergan criogenia para mantener frías las cavidades (para mantener la superconductividad).

Muchos aceleradores de partículas actuales y futuros se basan en tecnología superconductora, y los avances que ayudan a los científicos a estudiar los neutrinos tienen efectos multiplicadores fuera de la ciencia fundamental. Los investigadores están desarrollando aceleradores superconductores para la medicina, limpieza ambiental, computación cuántica, industria y seguridad nacional.

El esquema de la viga

En PIP-II, se inyectará un haz de protones en el linac. A lo largo de sus 176 metros (seis y medio de longitud de la piscina olímpica), el rayo se acelerará a una energía de 800 millones de electronvoltios. Una vez que atraviesa el linac superconductor, entrará en el resto de la cadena de aceleradores actual de Fermilab, otros tres aceleradores, que también se someterán a importantes mejoras en los próximos años para manejar el rayo de mayor energía del nuevo linac. Cuando el rayo sale del acelerador final, tendrá una energía de hasta 120 mil millones de electronvoltios y más de 1 megavatio de potencia.

Después de que el haz de protones sale de la cadena, chocará contra un cilindro segmentado de carbono. La colisión del haz de carbono creará una lluvia de otras partículas, que se dirigirá a varios experimentos de Fermilab. Algunas de estas partículas posteriores a la colisión se convertirán, "se descompondrán en, "en la jerga de la física:neutrinos, que en este punto ya estarán en el camino hacia sus detectores.

El haz de protones inicial de PIP-II, que los científicos podrán distribuir entre LBNF / DUNE y otros experimentos, se puede administrar en pulsos o como una corriente continua de protones.

Los componentes de front-end para PIP-II, los que están aguas arriba del linac superconductor, ya están desarrollados y sometidos a pruebas.

"Estamos muy contentos de haber podido diseñar PIP-II para cumplir con los requisitos del programa de neutrinos al tiempo que brindamos flexibilidad para el desarrollo futuro del programa experimental de Fermilab en cualquier número de direcciones, "dijo Steve Holmes de Fermilab, ex director del proyecto PIP-II.

Fermilab espera completar el proyecto a mediados de la década de 2020, a tiempo para la puesta en marcha de LBNF / DUNE.

"Mucha gente trabajó incansablemente para diseñar la mejor máquina para la ciencia que queremos hacer, "Dijo Merminga." El reconocimiento de su excelente trabajo a través de la aprobación del CD-1 es alentador para nosotros. Esperamos construir este acelerador de vanguardia ".