Los investigadores desarrollaron muchas iteraciones del objetivo de producción de Mu2e, algunos de los cuales se muestran aquí. El primer y más simple diseño (extremo izquierdo) es una varilla de tungsteno, mientras que el penúltimo diseño (extremo derecho) tiene aletas, segmentos, y anillos para optimizar el control de temperatura y minimizar el pandeo. Crédito:Dave Pushka
Antes de Mu2e, estaba MECO.
Científicos, investigadores, y los ingenieros estaban extasiados. Habían estado intentando llevar a cabo el experimento de Conversión de Muón a Electrón durante casi dos décadas en dos continentes, y ahora finalmente se construiría en el Laboratorio Nacional de Brookhaven.
Sin inmutarse cuando el proyecto fue retirado en 2005, ajustaron sus planes y diseños para ejecutar este innovador experimento en Fermi National Accelerator Laboratory en Batavia, Illinois.
El enigma del muon
Mu2e tiene como objetivo resolver un misterio que ha desconcertado tanto a los experimentales como a los teóricos desde el descubrimiento del muón en 1936:los científicos nunca han observado que un muón se transforme en su primo más ligero, el electrón, sin emitir también otras partículas.
La observación de la conversión directa de muón a electrón "proporcionaría una evidencia inequívoca de la física más allá del Modelo Estándar, "dijo el co-portavoz del experimento Jim Miller, científico de la Universidad de Boston.
Electrones muones y taus son sabores de partículas llamadas leptones. Como la fresa el chocolate y el helado de vainilla no se pueden transformar el uno en el otro, a pesar de ser sabores de helado napolitano, Aparentemente, se impide que los muones se conviertan directamente en electrones.
Midiendo cualquier proceso de conversión una vez, y mucho menos varias veces en el transcurso de un experimento, no es tarea fácil. Para observar la señal de conversión de muón a electrón, Mu2e será de aproximadamente 10, 000 veces más potente que el experimento SINDRUM II, que terminó de recopilar datos en 2000 y fue el último experimento en buscar la conversión directa de muón a electrón.
Si solo uno de cada 100 millones de billones (10 17 ) los muones se transforman en un electrón, Mu2e lo verá.
Producir piones:la historia de un objetivo
Antes de que esto pueda suceder, los físicos necesitan piones.
El objetivo de producción, un material cuidadosamente formado que intercepta un haz de partículas, asume ese trabajo crítico pero difícil. Cuando un rayo de protones alcanza el objetivo de producción fijo, los piones salen en todas direcciones y se descomponen casi inmediatamente en muones, que descienden en espiral a través de otros componentes del experimento hasta un detector, de donde (con suerte) emergen como electrones.
Los componentes de Mu2e se fabrican con la menor cantidad de material posible porque las interacciones de las partículas aumentan con la cantidad de material en el experimento, interfiriendo con la señal que los investigadores esperan observar. Esto presentó desafíos únicos para el equipo de diseño del objetivo de producción.
Residiendo en una cámara de vacío dentro de un imán cilíndrico superconductor, el objetivo de producción está sujeto a condiciones extremas. Un rayo de protones golpea contra el objetivo cada segundo, haciendo que su temperatura aumente a alrededor de 1, 700 grados Celsius (3, 092 grados Fahrenheit), la temperatura experimentada por las partes más calientes de un transbordador espacial de la NASA que vuelve a entrar en la atmósfera de la Tierra.
Los investigadores pronto se dieron cuenta de que su diseño inicial, una reliquia del experimento MECO, era caro. Muy caro. Una barra de oro envuelta en una chaqueta de titanio, este objetivo necesitaba ser enfriado con agua en circulación a través de un elaborado sistema de bombas de agua, boquillas y otra infraestructura.
"Fue entonces cuando algunos de nuestros colegas señalaron que es posible que no necesitemos enfriar activamente el objetivo en absoluto, "dijo Steve Werkema, administrador de actualización del acelerador para Mu2e.
Dos modificaciones:cambiar a un objetivo que libera calor por sí solo, llamado un objetivo enfriado radiativamente, y la reducción de la potencia del haz de 25 kilovatios a 8 kilovatios, no solo ahorró dinero y simplificó la infraestructura, sino que también redujo los problemas de seguridad.
El objetivo de producción de Mu2e está suspendido por radios dentro de una estructura de rueda de bicicleta. Crédito:Dave Pushka
Ahora, los investigadores necesitaban un nuevo objetivo de producción. Para el material de destino, pasaron a una sección de la tabla periódica conocida como metales refractarios. Los metales refractarios son ventajosos en experimentos como Mu2e porque tienen altos puntos de fusión y son reacios a la corrosión incluso a altas temperaturas.
Los investigadores finalmente eligieron tungsteno, Pesado, metal denso que puede soportar altas temperaturas y golpes brutales por manojos de haz de protones. Esto decidió, estaba de vuelta a la mesa de dibujo, literalmente.
Volver a visitar, revisar y repetir
El primer objetivo de tungsteno de Mu2e parecía una gruesa, lápiz largo. Seis milímetros (alrededor de 0,25 pulgadas) de diámetro y 160 milímetros (un poco más de 6 pulgadas) de largo, la varilla de tungsteno produjo muchos piones.
¿El problema? No había forma de sostener esta estructura en el vacío.
Para resolver este acertijo, los investigadores colocaron partes que parecen megáfonos en ambos extremos de la varilla. Radios en forma de espagueti suspendieron estos componentes en una estructura de anillo de bicicleta que asegura el objetivo y ayuda a un brazo robótico con la eliminación y eliminación del objetivo.
"Fue entonces cuando comenzamos a descubrir problemas que teníamos que superar, uno a uno, ", Dijo Werkema.
El primer problema que encontraron fue la corrosión.
Ordinariamente, el tungsteno es resistente a la corrosión, pero los estudios demostraron que incluso el mínimo de oxígeno en la cámara de vacío causa problemas a temperaturas y presiones de Mu2e.
"Piense en ello como en su automóvil. Los guardabarros se oxidan y se obtienen estos grandes trozos de óxido que se caen, y muy pronto no te queda ningún guardabarros, "dijo Dave Pushka, ingeniero jefe de producción en el Fermilab.
El objetivo de producción se corroería tan rápido que no duraría ni un año. Los investigadores mejoraron la cámara de vacío para mitigar este efecto. Aunque todavía anticipan alguna formación de óxido de tungsteno, no debería ser suficiente para que el objetivo falle rápidamente.
Luego, los investigadores se preguntaron:¿Cuánto tiempo podría un rayo de protones bombardear el objetivo antes de que fallara debido al estrés y la fatiga? En un hito importante, Los investigadores del Laboratorio Rutherford Appleton en Inglaterra desarrollaron un objetivo prototipo y lo golpearon con un pulso eléctrico hasta que falló. Concluyeron que, al menos desde ese modo de falla, el objetivo duraría más de un año.
El tercer desafío fue la temperatura. A los investigadores les preocupaba que el objetivo pudiera deformarse como una barra de mantequilla en un picnic de julio antes de alcanzar su vida útil prescrita (alrededor de 43 semanas de tiempo de haz).
A medida que los protones alcanzan el objetivo de producción, la energía cinética se convierte en calor, haciendo que el objetivo se expanda hacia afuera y se hunda en el medio. Esta inestabilidad provoca aún más flacidez, mientras los radios que sostienen el objetivo unen sus extremos, poniendo más fuerza en ambos extremos y haciendo que el objetivo se hunda aún más.
La gente de ambos lados del Atlántico trabajó en una competencia amistosa para desarrollar el mejor modelo de destino. Por último, varios elementos de diseño, como resortes que conectan los radios al anillo de la bicicleta, se introdujeron para combatir la fatiga y el hundimiento del objetivo.
En su versión actual, el objetivo todavía se parece mucho a un lápiz sin punta. Es gris relativamente pesado, y 200 milímetros (casi 8 pulgadas) de largo, con anillos cilíndricos en cada extremo, aletas que disipan el calor del núcleo del objetivo y se refuerzan contra el hundimiento y el espacio vacío que separa los segmentos de la varilla central.
Las aletas, que hacen que el objetivo parezca una estrella desde los extremos, requieren delicadeza para funcionar según lo previsto bajo el haz de protones severo.
La versión actual del objetivo de producción de tungsteno tiene anillos circulares en los extremos y su núcleo está aleteado y segmentado para permitir la minimización del pandeo y el control de la temperatura. Crédito:Dave Pushka
"A medida que agrega más aletas, la superficie de una aleta no ve temperaturas más frías. En cambio, ve otra aleta a la misma temperatura caliente. Esto significa que hay algunos rendimientos decrecientes en términos de estructura y número de aletas y disipación de calor, "Dijo Pushka.
El gerente de proyecto de Mu2e, Ron Ray de Fermilab, sugirió que segmentar el núcleo del objetivo podría mejorar este problema que depende de la temperatura. Los investigadores han descubierto que la introducción de espacios entre cortos, Los segmentos cilíndricos de tungsteno les permiten ajustar las temperaturas a lo largo del objetivo.
Los guardianes del diseño óptimo de objetivos
Mientras tanto, tres equipos de ingenieros trabajan para eliminar tantas sorpresas como sea posible en el beam-on.
"El equipo objetivo de producción quiere saber qué sucede con cada cambio en el objetivo o haz, "dijo Kevin Lynch, profesor de física en York College of the City University of New York y miembro del equipo de diseño de objetivos de producción de Mu2e. "Nuestros modelos rastrean todo, desde la producción de piones hasta las conversiones de muones a electrones y la forma en que la energía se acumula en los componentes a lo largo del experimento".
Estos cálculos independientes, realizado por el equipo de Lynch en York College y el equipo de Bob Bernstein en Fermilab, son con las que trabaja la ingeniera senior Ingrid Fang.
Colmillo, que ha trabajado en Fermilab durante más de dos décadas, aplica los cálculos de Lynch a la geometría proporcionada por Pushka, configura el modelo, y resuelve el estrés y la temperatura en todos los puntos del objetivo. Las simulaciones son tan complejas que una supercomputadora tarda tres o más días en resolver los millones de ecuaciones.
"Tenemos que encontrar ese punto óptimo entre la temperatura y el rendimiento de muones, "Dijo Fang.
Es el resultado de Fang que es estudiado por científicos, investigadores e ingenieros. Es el resultado de Fang el que toma o rompe decisiones. Es el resultado de Fang el que determina en última instancia si el objetivo de producción pasa a la construcción o vuelve al diseño.
"Ahora, es el gran final, "Fang dice del diseño actual." Combinamos el objetivo con su estructura de soporte y pusimos todas las cargas, incluida la pulsación del haz, carga de radiación, gravedad, y pretensado de los pernos que aseguran el sistema, en el modelo, y los resultados parecen muy prometedores ".
Construyendo un objetivo 101
Los investigadores saben que la vida en el laboratorio está llena de altibajos, retoques y revisión. Lo que originalmente comenzó como oro La varilla enfriada por agua se ha convertido en una varilla segmentada y con aletas, enfriado radiativamente, Aparato de tungsteno que cumple con los objetivos del proyecto. Científicos, investigadores, Los ingenieros y analistas han examinado más de 35 diseños de objetivos a lo largo de los años.
Los investigadores permanecen impávidos mientras enfrentan el último desafío:construir realmente el objetivo de producción.
"El tungsteno es difícil de mecanizar. No se puede cortar con un torno. No se puede aserrar. Tiene que ser rectificado o mecanizado por descarga de electrodo, ", Dijo Pushka. Señala que hay al menos tres o cuatro contratistas en el área de Chicago, y más allá, quién puede realizar este intrincado trabajo.
Werkema y Pushka estiman que el objetivo tardará 12 semanas en fabricarse y otras 12 semanas en ensamblar y alinear con la viga. Luego, después de que finalice la construcción de Mu2e en 2022, hay otro año de configuración, mediciones y calibración requeridas antes de que el experimento comience a ejecutarse en 2023.
"Parece que falta mucho tiempo, pero parece que no ha llegado el momento de considerar que los primeros diseños se hicieron a finales de la década de 1990. Ahora, parece que estamos terminando porque superamos todos estos desafíos de ingeniería y diseño, y ahora aparecen cosas nuevas y se instalan cada semana. De hecho, puedes ver el progreso, "Dice Werkema.
"He trabajado en muchos experimentos en Fermilab, "Pushka dijo." Mu2e es el más difícil, el experimento más difícil en el que he trabajado y, Creo, que alguna vez hemos intentado lograr. Es extremadamente difícil desde el punto de vista de la ciencia y la ingeniería ".
Parece que los investigadores, por ahora, están en el objetivo de descubrir nueva física a través de Mu2e.
