Fue un viaje por carretera nocturno de tres horas que culminó un viaje que comenzó hace siete años.

Aproximadamente desde las 12:30-3 a.m. del viernes, 16 de agosto la primera sección superconductora importante de un acelerador de partículas que impulsará el experimento de neutrinos más grande del mundo se abrió paso a lo largo de una serie de carreteras de Chicagoland a una velocidad deliberada de 10 millas por hora.

Transportado en un portaaviones especial creado solo para su viaje de 25 millas, a las 3:07 a.m., la estructura de nueve toneladas entró en su hogar permanente en el Fermilab del Departamento de Energía. Llegó del cercano Laboratorio Nacional de Argonne, también un laboratorio nacional DOE.

El componente de alta tecnología es el primer cromódulo completo para el acelerador de partículas PIP-II, una potente máquina que se convertirá en el corazón del complejo acelerador de Fermilab. El acelerador generará haces de protones de alta potencia, que a su vez producirá el haz de neutrinos más potente del mundo, para el Experimento internacional de neutrinos subterráneos profundos, organizado por Fermilab y prevé el futuro a largo plazo del programa de investigación Fermilab.

PIP-II es el primer proyecto de acelerador de partículas en los Estados Unidos con una importante contribución internacional, con cavidades y cromódulos construidos en Francia, India, Italia, Reino Unido y Estados Unidos.

El esfuerzo del cromódulo en Argonne comenzó en 2012. Los científicos e ingenieros de Argonne dirigieron su diseño, trabajando con un equipo de Fermilab. El grupo Argonne también construyó el cryomodule, probó sus subcomponentes y lo ensambló, evolucionando un diseño utilizado en uno de los aceleradores de partículas de Argonne.

Y ahora ha llegado.

"Existe un significado profundo en la llegada del primer cromódulo PIP-II:marca el comienzo de una nueva era para el complejo de aceleradores Fermilab, la era de la aceleración de radiofrecuencia superconductora, ", dijo la directora del proyecto Fermilab PIP-II, Lia Merminga.

El modelo del acelerador PIP-II

Un cromódulo es la unidad principal de un acelerador de partículas. Como los vagones de un tren Los cromódulos están acoplados entre sí de un extremo a otro. El acelerador lineal PIP-II comprenderá 23 de ellos, sumando aproximadamente 200 metros, pista de aterrizaje casi a la velocidad de la luz para poderosos protones.

Protones muy poderosos. El nuevo acelerador habilitará un haz de protones de 1,2 megavatios para los experimentos del laboratorio. Eso es un 60% más de potencia de la que puede proporcionar la cadena de aceleradores actual del laboratorio.

Y se ensambla un cromódulo a la vez. Cada uno alberga una serie de cavidades de aceleración superconductoras. Estos tubos de metal brillante imparten energía al rayo, y ellos también se colocan de extremo a extremo. A medida que el haz de protones atraviesa una cavidad tras otra, recoge energía, gracias a los campos electromagnéticos dentro de las cavidades, impulsando el rayo hacia adelante.

En el momento en que el rayo sale de la cavidad final del último cromódulo PIP-II, habrá ganado 800 millones de electronvoltios de energía y viajará al 84% de la velocidad de la luz.

Entonces realmente nos vamos a las carreras:después de que el rayo deja el PIP-II linac, continuará por cualquiera de varios caminos, cargando a través de los aceleradores de Fermilab y finalmente chocando contra un bloque de material. La lluvia de partículas resultante se clasificará y enviará a varios experimentos, donde los científicos estudian estos trozos de materia para comprender mejor cómo funciona nuestro universo en su nivel más fundamental.

El aumento del 60% en la potencia de PIP-II, con el potencial de aumentar la potencia en el rango de varios megavatios en un momento posterior, proporcionará más partículas para que los científicos las estudien. acelerando el camino hacia el descubrimiento.

Se espera que el acelerador PIP-II se integre en el complejo de aceleradores Fermilab en 2026.

Montando la media ola

El cromódulo PIP-II diseñado por Argonne contiene ocho cavidades de aceleración que parecen grandes pajaritas de globos. Son de un tipo especial llamados resonadores de media onda. ("Media onda, "porque el perfil del campo electromagnético en su interior se asemeja a la mitad de una onda estacionaria).

El cromódulo resonador de media onda será el primero en la línea de 23 y el único de su tipo en PIP-II.

El trabajo del cromódulo resonador de media onda es hacer que el rayo funcione casi tan pronto como sale por la puerta, tomándolo de 2 a 10 millones de electronvoltios. Cada cromódulo posterior toma su turno aumentando el rayo hasta su energía final de 800 millones de electronvoltios.

Su diseño se basa en los utilizados en el acelerador de partículas ATLAS de Argonne, que acelera los iones pesados ​​para la investigación de la física nuclear.

La versión PIP-II presenta algunas mejoras. Para uno, el rendimiento de la cavidad es de primera categoría, gracias a los avances en la tecnología de aceleración. Las cavidades están hechas de niobio superconductor. Los refinamientos de la última década tanto en el tratamiento con niobio como en la fabricación de cavidades han hecho posible que las cavidades PIP-II impulsen el rayo a energías más altas en distancias más cortas en comparación con ATLAS y otras cavidades comparables. También son más eficientes energéticamente.

"Estamos orgullosos de las cavidades que hemos construido y su desempeño, "dijo el físico de Argonne Zack Conway, quien lideró el esfuerzo para construir las cavidades. "Son verdaderamente líderes en el mundo".

El cromódulo mantiene las cavidades a 2 kelvin fríos, o menos 270 grados Celsius. Superconductos de niobio a 9.2 K, pero su rendimiento se dispara a 2 K. La criogenia avanzada (el "crio" en el módulo criogénico) asegura que las cavidades PIP-II mantengan su temperatura fría.

El resultado es un vehículo para viga de alto rendimiento.

"Ha sido bueno colaborar con uno de nuestros laboratorios hermanos, "dijo el científico del Fermilab Joe Ozelis, que supervisa el proyecto de criomódulo. "Este modelo de esfuerzo colaborativo con nuestros socios es clave para el éxito futuro continuo de PIP-II. Es gratificante saber ahora que realmente puede funcionar".

Es hora de probar

El cromódulo recién llegado tiene un camino por recorrer antes de que se instale permanentemente como parte del acelerador lineal PIP-II. Durante los próximos meses, El grupo PIP-II de Fermilab realizará una serie de pruebas para asegurarse de que cumpla con las especificaciones. Luego, el próximo año, un grupo de Fermilab lo probará con haz, poniendo el cromódulo a prueba.

"Lo primero de todo en un proyecto como este siempre es emocionante, pero hay más en esto para mí personalmente, "dijo Genfa Wu, Físico del Fermilab y gestor del sistema PIP-II SRF y criogénico. "Este es el primer cromódulo superconductor de beta baja que probaré en mi experiencia profesional".

También es un ensayo inicial para la colaboración del cromódulo PIP-II de manera más general. Aún quedan por construir y probar veintidós cromódulos en Fermilab, de los cuales 15 llegarán desde fuera de los Estados Unidos, incluyendo un prototipo.

"PIP-II es una colaboración internacional, ", Dijo Wu." Estamos trabajando activamente con nuestros socios internacionales para asegurarnos de que todos los cromódulos funcionen juntos ".

Socios en ciencia global

La internacionalidad de PIP-II refleja el experimento más grande que impulsará, el experimento de neutrinos subterráneos profundos, apoyado por la Instalación de Neutrinos de Línea de Base Larga en Fermilab. El proyecto científico insignia tiene como objetivo descubrir los misterios de los neutrinos, partículas sutiles que pueden llevar la huella de los inicios del universo.

Los protones del rayo PIP-II producirán un rayo de neutrinos, que se enviará 800 millas directamente a través de la corteza terrestre desde Fermilab hasta detectores de partículas ubicados a una milla bajo tierra en la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford en Dakota del Sur. Los científicos de DUNE estudiarán cómo cambian los neutrinos a esa larga distancia. Sus hallazgos apuntan a decirnos por qué vivimos en un universo dominado por la materia.

Más de 1, 000 científicos de decenas de países participan en LBNF / DUNE, que comenzará a mediados de la década de 2020. Es un proyecto global con ambiciosos objetivos de investigación. Y cuatro de los socios internacionales de LBNF / DUNE también contribuyen al PIP-II. Para los Estados Unidos, El carácter internacional del proyecto PIP-II es una nueva forma de construir grandes proyectos de aceleración.

"El cromódulo de resonador de media onda es un ejemplo estelar de cómo los laboratorios del DOE trabajan juntos para ejecutar proyectos importantes que involucran una aptitud tecnológica que ningún laboratorio tiene por sí solo, ", Dijo Merminga." Aprovechando la experiencia de Argonne en la tecnología de resonador de media onda, Fermilab está dando un gran paso hacia la realización de su futuro al tiempo que allana el camino para una mayor colaboración. Exactamente el mismo principio se aplica a nuestras asociaciones internacionales, haciendo de PIP-II un nuevo paradigma muy poderoso para futuros proyectos de aceleración ".

Y de alguna manera todo está empezando a juntarse cuando un camión con un enorme, Contenedor de metal de alta tecnología rueda por una calle en medio de la noche.

"La colaboración entre ellos ha sido muy fluida, desde el diseño hasta la fabricación, "Dijo Conway." Ha sido maravilloso ".

Paga dividendos en otras dimensiones, también.

"Hemos aprendido mucho de esto para futuras colaboraciones, y esas lecciones serán vitales para el proyecto linac en su conjunto, ", Dijo Ozelis." Esto es más que institucional. También es un esfuerzo humano ".