A finales de la década de 2020, Fermilab comenzará a enviar el haz de neutrinos más intenso del mundo a través de la corteza terrestre a los detectores en Dakota del Sur para el Experimento internacional de neutrinos subterráneos profundos. o DUNE. Cuando el nuevo acelerador de partículas PIP-II entre en funcionamiento, un intenso haz de protones viajará cerca de la velocidad de la luz a través de una serie de componentes del acelerador subterráneo antes de pasar a través de ventanas metálicas y chocar con un objetivo estacionario para producir los neutrinos. Los investigadores tienen la intención de construir las ventanas con una aleación de titanio y están probando la resistencia a la fatiga de las muestras expuestas a haces de protones para ver qué tan bien funcionarán en el nuevo complejo de aceleradores.

Justo en el blanco

Cuando los científicos del Fermilab se propusieron producir neutrinos para DUNE, tienen que ser increíblemente precisos. El acelerador PIP-II utilizará estructuras superconductoras y potentes imanes para acelerar ráfagas rápidas de microsegundos de protones que se enfocan y dirigen en la dirección correcta. dirigido a los detectores DUNE en Dakota del Sur, antes de chocar contra el objetivo productor de neutrinos en el sitio de Fermilab.

El objetivo, que consta de varillas de grafito de aproximadamente 1,5 metros de longitud total, está separado del resto del acelerador en un recipiente lleno de helio para ayudar a mantener bajas las temperaturas.

Los protones, viajando a su máxima energía, entrar en la embarcación a través de una ventana, luego da en el blanco para producir una cascada de piones en rápida descomposición (partículas subatómicas de vida corta) que salen por una segunda ventana en la parte trasera. En menos de un segundo los piones no solo se habrán descompuesto en neutrinos, pero esos neutrinos, que casi no tienen masa y viajan cerca de la velocidad de la luz, habrán llegado a su destino en Dakota del Sur. un viaje de 800 millas.

Diseñar la matriz de destino no es una tarea fácil, que es especialmente cierto en las ventanas. Necesitan tener la resistencia para soportar el haz de protones de alta potencia y temperaturas superiores a 200 grados Celsius, todo mientras se mantiene suficiente integridad estructural para resistir las diferencias de presión a través de la ventana. No solo eso, pero deben hacerse lo más delgados posible para minimizar la interacción con el haz de protones. Debido a estas condiciones extremas, Las ventanas del acelerador no están hechas de vidrio, sino de metal.

Si bien las ventanas metálicas no dejarían entrar mucha luz en su hogar, no representan una gran barrera para los rayos de partículas. Los átomos se componen principalmente de espacio vacío, y los protones de alta energía viajan a través de los intersticios dentro y entre los átomos de la ventana con relativamente poca interacción.

Sin embargo, los rayos que atraviesan las ventanas son muy enérgicos, y la pequeña fracción de protones que rebotan en los núcleos de las ventanas depositan energía en forma de calor y ondas vibratorias, que plantean el riesgo de romper el material y son una fuente importante de preocupación para ingenieros y físicos.

"Estas ventanas deben poder soportar el calor generado por la interacción del haz, ", dijo Sujit Bidhar, asociado de investigación postdoctoral del Fermilab.

Todo este calentamiento y enfriamiento hace que las ventanas de vigas se contraigan y expandan rápidamente.

"El material de destino se expande en 10 microsegundos, "Dijo Bidhar." Pero el material circundante no se está expandiendo, porque no está interactuando directamente con el rayo. Esto provoca una especie de efecto de martilleo, lo que llamamos ondas de estrés ".

Las olas dentro del material son análogas a las de una persona nadando en una piscina; moverse a través del agua crea ondas similares que se extenderían hasta el borde y rebotarían de regreso a su punto de origen. Si el nadador añadiera energía extra lanzando una bala de cañón al agua, la ola aumentaría en amplitud y podría desbordarse por el costado.

Dado que las ventanas de destino en aceleradores son sólidas, sin embargo, las ondas fuertes que los atraviesan debilitan el material con el tiempo a través de un proceso llamado fatiga, y en lugar de poder chapotear en el borde de una piscina, la tensión inducida eventualmente hará que la matriz se rompa. No es una cuestión de si pero cuando.

Predecir la próxima gran oportunidad

Los físicos tienen un gran interés en saber exactamente cuánto tiempo se puede esperar que dure cada componente del acelerador. Las fallas inesperadas del equipo pueden provocar retrasos y contratiempos prolongados.

Muchos aceleradores de partículas utilizan ventanas de destino hechas de berilio, un tipo raro de metal ligero que, hasta ahora, ha mostrado los mejores resultados gracias a su excepcional durabilidad. Pero los físicos y los ingenieros buscan constantemente formas de innovar, y los que desarrollan ventanas objetivo para DUNE están investigando aleaciones de titanio, que pueden tener propiedades que les permitan resistir mejor que sus contrapartes de berilio.

"El titanio tiene una alta resistencia específica, así como una alta resistencia a la fatiga y la corrosión, "dijo Kavin Ammigan, ingeniero superior en Fermilab. "Estamos probando para ver cómo cambian estas propiedades críticas cuando el titanio se expone a haces de protones".

Las aleaciones de titanio se han utilizado en el Complejo de Investigación del Acelerador de Protones de Japón, conocido como J-PARC, durante más de una década con resultados prometedores. Con la actualización PIP-II de Fermilab, el complejo de aceleradores de laboratorio acelerará un rayo de intensidad mucho más alta de lo que lo hace actualmente. Para predecir cuánto durarán las ventanas de titanio en Fermilab, los investigadores necesitaban probar muestras utilizando energías de haz similares.

Las muestras de fatiga de titanio proporcionadas por investigadores de J-PARC se enviaron a Fermilab, donde se probaron sus propiedades mecánicas. Luego, las muestras fueron golpeadas por un intenso haz de protones en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en el transcurso de ocho semanas. después de lo cual fueron devueltos al Fermilab para otra ronda de pruebas para determinar exactamente cómo las propiedades de la aleación habían cambiado y degradado con el tiempo. Al probar tanto antes como después de ser bombardeado por haces de protones, Los investigadores pueden predecir aproximadamente cuánto tiempo se puede esperar que duren las ventanas hechas de titanio en el acelerador mejorado.

Los datos generados por el proyecto serán útiles no solo para Fermilab y la actualización de PIP-II, pero también para otras instituciones y futuras aceleradoras. La instalación del acelerador J-PARC, por ejemplo, tiene planes de aumentar la intensidad de su haz de partículas y podrá utilizar los resultados del estudio actual para predecir la vida útil de la ventana objetivo de titanio.

Con esta información en la mano, Los investigadores de Fermilab podrán gestionar de forma proactiva sus dispositivos de haz. Las ventanas de titanio se quitarán antes del final de su esperanza de vida proyectada y se reemplazarán por nuevas, ventanas sin cansancio.

Ammigan, Los colegas de Bidhar y Fermilab han completado su primer lote de mediciones de muestras de aleación de titanio y planean completar un segundo lote en unos meses. después de lo cual planean publicar sus resultados.