¿Qué necesitas para hacer el haz de neutrinos más intenso del mundo? Solo unos imanes y una mina de lápiz. Pero no las cosas habituales de la casa. Después de todo, este es el haz de neutrinos de alta energía más intenso del mundo, así que estamos hablando de piezas de tamaño gigante:imanes del tamaño de bancos de parque y varillas ultrapuras de grafito tan altas como Danny DeVito.

Los experimentos de física que amplían el alcance del conocimiento humano tienden a trabajar en los extremos:las escalas más grande y más pequeña, las intensidades más altas. Los tres son válidos para el Experimento internacional de neutrinos subterráneos profundos, organizado por el Fermilab del Departamento de Energía. El experimento reúne a más de 1, 000 personas de más de 30 países para abordar preguntas que han mantenido despierto a muchas personas por la noche:¿Por qué el universo está lleno de materia y no de antimateria? o no importa en absoluto? Hacer protones, uno de los componentes básicos de los átomos (y de nosotros), alguna vez decaer? ¿Cómo se forman los agujeros negros? ¿Y dejé la estufa encendida?

Quizás no sea el último.

Para abordar las preguntas más importantes, DUNE observará misteriosas partículas subatómicas llamadas neutrinos:neutrales, espectros tenues que rara vez interactúan con la materia. Debido a que los neutrinos son tan antisociales, los científicos construirán detectores de partículas enormes para capturarlos y estudiarlos. Más materia dentro de los detectores DUNE significa más cosas con las que los neutrinos interactúan, y estas trampas de neutrinos gigantes contendrán un total de 70, 000 toneladas de argón líquido. En su casa a 1,5 kilómetros por debajo de la roca en la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford en Dakota del Sur, estarán protegidos de la interferencia de los rayos cósmicos, aunque los neutrinos no tendrán problemas para atravesar ese búfer y dar en el blanco. Los detectores pueden captar neutrinos de estrellas en explosión que podrían evolucionar hacia agujeros negros y capturar interacciones de un rayo de neutrinos dirigido deliberadamente.

Los neutrinos (y sus contrapartes de antimateria, antineutrinos) nacen a medida que otras partículas se descomponen, llevando pequeñas cantidades de energía para equilibrar el libro mayor cósmico. Los encontrarás viniendo en manadas de estrellas como nuestro sol, dentro de la tierra incluso el potasio de los plátanos. Pero si desea hacer billones de neutrinos de alta energía por segundo y enviarlos a un detector de partículas en las profundidades del subsuelo, sería difícil hacerlo arrojando fruta hacia Dakota del Sur.

Ahí es donde entra en juego el complejo acelerador de partículas de Fermilab.

Fermilab envía partículas a través de una serie de aceleradores, cada uno agregando una explosión de velocidad y energía. Se ha comenzado a trabajar para una actualización del complejo que incluirá un nuevo acelerador lineal al comienzo del viaje:PIP-II. Este es el primer proyecto de aceleración en los Estados Unidos con importantes contribuciones internacionales, y propulsará partículas al 84% de la velocidad de la luz a medida que viajan a lo largo de dos campos de fútbol. Luego, las partículas ingresan al Booster Ring para otro ... bueno, aumentar, y finalmente dirígete al inyector principal, El acelerador más potente de Fermilab.

¿El giro? Los aceleradores de partículas de Fermilab impulsan protones, partículas útiles, pero no los que los científicos de neutrinos quieren estudiar.

Entonces, ¿cómo planean los investigadores convertir el primer haz de protones de megavatios de Fermilab en los billones de neutrinos de alta energía que necesitan para DUNE cada segundo? Esto requiere algo de infraestructura adicional:la instalación de neutrinos de línea de base larga, o LBNF. Una línea de base larga significa que LBNF enviará sus neutrinos a una gran distancia:1, 300 kilómetros, desde Fermilab hasta Sanford Lab, y la instalación de neutrinos significa ... hagamos algunos neutrinos.

Paso 1:toma algunos protones

El primer paso es extraer las partículas del inyector principal; de lo contrario, el acelerador circular actuará más como un carrusel. Los ingenieros deberán construir y conectar una nueva línea de luz. Esa no es una hazaña fácil considerando todas las utilidades, otras líneas de luz, e imanes del inyector principal alrededor.

"Está en una de las áreas más congestionadas del complejo acelerador Fermilab, "dijo Elaine McCluskey, el director del proyecto LBNF en Fermilab. El trabajo de preparación del sitio a partir de Fermilab en 2019 eliminará algunas de las utilidades. Más tarde, cuando llega el momento de la construcción de la línea de luz LBNF, el complejo del acelerador se apagará temporalmente.

Los equipos moverán algunos de los imanes del inyector principal de manera segura fuera del camino y perforarán el recinto del acelerador. Construirán una nueva área de extracción y cerramiento de vigas, luego reinstale los imanes del inyector principal con una nueva adición construida por Fermilab:imanes kicker para cambiar el curso del rayo. También construirán la nueva línea de luz LBNF ellos mismos, utilizando imanes de 24 dipolos y 17 cuadrupolos, la mayoría de ellos construidos por el Centro de Investigación Atómica Bhabha en India.

Paso 2:apunte

Los neutrinos son partículas engañosas. Porque son neutrales, no pueden ser dirigidas por fuerzas magnéticas de la misma forma que las partículas cargadas (como los protones). Una vez que nace un neutrino, sigue yendo en la dirección que sea, como un niño que monta el Slide "N Slide más largo del mundo. Esta propiedad convierte a los neutrinos en grandes mensajeros cósmicos, pero significa un paso adicional para los ingenieros con destino a la Tierra:apuntar.

Mientras construyen la línea de luz LBNF, las cuadrillas lo colocarán a lo largo de la curva de una colina de 18 metros de altura. Cuando los protones descienden por la colina, serán apuntados hacia los detectores DUNE en Dakota del Sur. Una vez que nacen los neutrinos, seguirán en esa misma dirección, no se requiere túnel.

Con todos los imanes en su lugar y todo sellado herméticamente, Los operadores de aceleradores podrán dirigir protones por la nueva línea de luz, como cambiar un tren en una vía. Pero en lugar de entrar en una estación, las partículas correrán a toda velocidad hacia un objetivo.

Paso 3:aplasta cosas

El objetivo es una pieza fundamental de la ingeniería. Mientras aún se está diseñando, es probable que sea una varilla de grafito puro de 1,5 metros de largo; piense en la mina de su lápiz con esteroides.

Junto con algún otro equipo, se sentará dentro de la sala de destino, una habitación sellada llena de nitrógeno gaseoso. DUNE se pondrá en marcha con un haz de protones que funcionará a más de 1 megavatio de potencia, y ya hay planes para actualizar el rayo a 2,4 megavatios. Casi todo lo que se está construyendo para LBNF está diseñado para soportar esa mayor intensidad del haz.

Debido a la potencia del rayo sin precedentes, manipular cualquier cosa dentro de la sala sellada probablemente requerirá la ayuda de algunos amigos robots controlados desde fuera de las gruesas paredes. Ingenieros en KEK, la organización de investigación de aceleradores de alta energía en Japón, están trabajando en prototipos para elementos del diseño de la sala de objetivos sellada LBNF.

El haz de protones de alta potencia entrará en la sala del objetivo y se estrellará contra el grafito como bolas de boliche que golpean bolos. depositando su energía y liberando un chorro de nuevas partículas, en su mayoría piones y kaones.

"Estos objetivos tienen una vida muy dura, "dijo Chris Densham, líder del grupo para objetivos de alta potencia en el Laboratorio Rutherford Appleton de STFC en el Reino Unido, que es responsable del diseño y producción del objetivo para el haz de un megavatio. "Cada pulso de protón hace que la temperatura se eleve unos cientos de grados en unos pocos microsegundos".

El objetivo de LBNF operará alrededor de 500 grados Celsius en una especie de escenario Ricitos de oro. El grafito funciona bien cuando hace calor, pero no demasiado caliente, por lo que los ingenieros deberán eliminar el exceso de calor. Pero no pueden dejar que se enfríe demasiado cualquiera. Agua, que se utiliza en algunos diseños de destino actuales, proporcionaría demasiado enfriamiento, por eso, los especialistas de RAL también están desarrollando un nuevo método. El diseño propuesto actual hace circular helio gaseoso, que se moverá a unos 720 kilómetros por hora, la velocidad de un avión de pasajeros, para cuando salga del sistema.

Paso 4:enfoca los escombros

A medida que los protones golpean el objetivo y producen piones y kaones, los dispositivos llamados cuernos de enfoque se hacen cargo. Los piones y kaones están cargados eléctricamente, y estos imanes gigantes dirigen el aerosol hacia un rayo enfocado. Una serie de tres bocinas que se diseñarán y construirán en Fermilab corregirá las trayectorias de las partículas y las apuntará a los detectores en Sanford Lab.

Para que el diseño funcione, el objetivo, un tubo cilíndrico, debe colocarse dentro del primer cuerno, en voladizo en su lugar desde el lado aguas arriba. Esto provoca algunos desafíos de ingeniería interesantes. Todo se reduce a un equilibrio entre lo que quieren los físicos, un objetivo más largo que pueda permanecer en servicio durante más tiempo, con lo que los ingenieros pueden construir. El objetivo tiene solo un par de centímetros de diámetro, y cada centímetro extra de longitud hace que sea más probable que caiga bajo el aluvión de protones y la fuerza de la gravedad de la Tierra.

Al igual que un juego de Operation, Los físicos no quieren que el objetivo toque los lados del cuerno.

Para crear el campo de enfoque, los cuernos metálicos reciben un 300, Pulso electromagnético de 000 amperios aproximadamente una vez por segundo, entregando más carga que un poderoso rayo. Si estuvieras parado junto a él, querría meterse los dedos en los oídos para bloquear el ruido, y ciertamente no querría que nada toque los cuernos, incluido el grafito. Los ingenieros podrían apoyar al objetivo desde ambos extremos, pero eso complicaría mucho más la inevitable extracción y sustitución.

"Cuanto más simple puedas hacerlo, el mejor, ", Dijo Densham." Siempre existe la tentación de hacer algo inteligente y complicado, pero queremos hacerlo lo más tonto posible, así que hay menos problemas ".

Paso 5:ocurre la física

Enfocado en un rayo, los piones y kaones salen de la sala de objetivos y viajan a través de un túnel de 200 metros de largo lleno de helio. Como ellos, ellos decaen, dando a luz a neutrinos y algunas partículas amigas. Los investigadores también pueden cambiar los cuernos para enfocar partículas con la carga opuesta, que luego se descompondrá en antineutrinos. El blindaje al final del túnel absorbe las partículas adicionales, mientras navegan los neutrinos o antineutrinos, impávido, directamente a través de la tierra y la roca, hacia su destino en Dakota del Sur.

"LBNF es un proyecto complejo, con muchas piezas que tienen que trabajar juntas, "dijo Jonathan Lewis, el director del proyecto LBNF Beamline. "Es el futuro del laboratorio, el futuro del campo en los Estados Unidos, y un proyecto emocionante y desafiante. La perspectiva de descubrir las propiedades de los neutrinos es una ciencia apasionante ".

Los científicos de DUNE examinarán el haz de neutrinos en Fermilab justo después de su producción utilizando un sofisticado detector de partículas en el sitio. colocado justo en el camino de la viga. La mayoría de los neutrinos pasarán directamente por el detector, como hacen con toda la materia. Pero una pequeña fracción chocará con los átomos dentro del detector de sitio cercano DUNE, proporcionando información valiosa sobre la composición del haz de neutrinos, así como las interacciones de neutrinos de alta energía con la materia.

Entonces es el momento de despedirse de los otros neutrinos. Sea rápido, su 1, Un viaje de 300 kilómetros a una velocidad cercana a la de la luz tomará cuatro milisegundos, ni siquiera cerca del tiempo que se tarda en parpadear. Pero para los científicos de DUNE, el trabajo apenas comenzará.