För vissa, ett mål är en del av ett spel dart. För andra, det är en detaljhandelskedja. Inom partikelfysik, det är platsen för en intensiv, komplex miljö som spelar en avgörande roll för att skapa universums minsta komponenter för forskare att studera.

Målet är en okänd spelare i partikelfysiska experiment, tar ofta baksätet till scenstjälande partikelstrålar med ljushastighet och gigantiska partikeldetektorer. Men många experiment skulle inte existera utan ett mål. Och, Gör inga misstag, ett mål som håller sig är en värdefull spelare.

Forskare och ingenjörer på Fermilab undersöker för närvarande mål för studiet av neutrinoer - mystiska partiklar som kan hålla nyckeln till universums utveckling.

Intensiva interaktioner

Det typiska partikelfysiska experimentet är upprättat på ett av två sätt. I den första, två energiska partikelstrålar kolliderar med varandra, generera en dusch av andra partiklar för forskare att studera.

På sekunden, partikelstrålen träffar en stillastående, fast material - målet. I denna fastmålsinställning, det kraftfulla mötet producerar partikelduschen.

Som krockplatta för intensiva strålar, ett mål kräver en hård konstitution. Den måste motstå upprepade anfall av kraftfulla strålar och hålla sig under heta temperaturer.

Du kanske tror att som trogna spelare i partikelproduktionens spel, mål skulle se ut som en fästningsvägg (eller kanske du föreställde dig darttavla). Men målen har olika former - långa och tunna, skrymmande och bred. De är också gjorda av olika material, beroende på vilken typ av partikel man vill göra. De kan vara gjorda av metall, vatten eller till och med specialdesignade nanofibrer.

I ett experiment med fast mål, strålen - säg, en protonstråle - springer mot målet, slår det. Protoner i strålen interagerar med målmaterialets kärnor, och de resulterande partiklarna skjuter bort från målet i alla riktningar. Magneter trattar och korallerar sedan några av dessa nyfödda partiklar till en detektor, där forskare mäter sina grundläggande egenskaper.

Partikelns födelseplats

Partiklarna som kommer ut från strålmål-interaktionen beror till stor del på målmaterialet. Tänk på Fermilab neutrino experiment.

I dessa experiment, efter att protonerna träffat målet, några av partiklarna i den efterföljande partikelduschen förfaller - eller omvandlas - till neutrinoer.

Målet måste vara gjord av rätt saker.

"Mål är avgörande för partikelfysikforskning, "sa Fermilab -forskaren Bob Zwaska." De tillåter oss att skapa alla dessa nya partiklar, som neutrinoer, som vi vill studera. "

Grafit är ett guldlåsande material för neutrino -mål. Om den hålls vid rätt temperatur i protonstrålen, grafiten genererar partiklar av precis rätt energi för att kunna förfalla till neutrinoer.

För neutronmål, som den vid Spallation Neutron Source vid Oak Ridge National Laboratory, tyngre metaller som kvicksilver används istället.

Maximal interaktion är målet för ett måls design. Målet för Fermilabs NOvA -neutrino -experiment, till exempel, är en rak rad - ungefär lika lång som ditt ben - av grafitfenor som liknar höga dominoer. Protonstrålfaten längs sin axel, och varje möte med en fin producerar en interaktion. Den tunna formen på målet säkerställer att få av de partiklar som skjuter av efter kollision återabsorberas tillbaka i målet.

Partikelmål, motstå

"Så länge forskarna har de partiklar de behöver för att studera, de är glada. Men i linje, ibland blir målen skadade, "sa Fermilab -ingenjören Patrick Hurh. I sådana fall, ingenjörer måste stänga av - eller ibland stänga av - strålkraften. "Om strålen inte har full kapacitet eller är avstängd, vi producerar inte så många partiklar vi kan för vetenskapen. "

Ju fler protoner som packas in i strålen, ju fler interaktioner de har med målet, och ju fler partiklar som produceras för forskning. Så målen måste vara i toppform så mycket som möjligt. Detta innebär vanligtvis att byta ut mål när de slits ner, men ingenjörer undersöker alltid sätt att förbättra målmotståndet, oavsett om det är genom design eller material.

Fundera över vilka mål som ställs mot. Det är inte bara högenergikollisioner-den typ av interaktioner som producerar partiklar för studier-som målen består.

Interaktioner med lägre energi kan ha långsiktighet, negativa effekter på ett mål, bygga upp värmeenergi inuti den. När målmaterialet stiger i temperatur, det blir mer sårbart för sprickbildning. Expanderande varma områden slår mot svala områden, skapa vågor av energi som destabiliserar dess struktur.

Några av kollisionerna i en högenergibalk kan också skapa lätta element som väte eller helium. Dessa gaser byggs upp med tiden, skapa bubblor och göra målet mindre motståndskraftigt mot skador.

En proton från strålen kan till och med slå av en hel atom, stör målets kristallstruktur och förlorar hållbarheten.

Klart, att vara ett mål är ingen picknick, så forskare och ingenjörer förbättrar alltid målen för att bättre rulla med ett slag.

Till exempel, grafit, används i Fermilabs neutrino -experiment, är resistent mot termisk belastning. Och, eftersom det är poröst, uppbyggda gaser som normalt kan kila sig mellan atomer och störa deras arrangemang kan istället migrera till öppna områden i atomstrukturen. Grafiten kan förbli stabil och motstå vågor av energi från protonstrålen.

Ingenjörer hittar också sätt att hålla en konstant måltemperatur. De utformar det så att det är lätt att hålla sig sval, integrera ytterligare kylinstrument i måldesignen. Till exempel, externa vattenrör hjälper till att kyla målet för Fermilabs NOvA -neutrino -experiment.

Mål för intensiva neutrino strålar

På Fermilab, forskare och ingenjörer testar också nya konstruktioner för vad som kommer att vara laboratoriets kraftfullaste protonstråle-strålen för laboratoriets flaggskepp Long-Baseline Neutrino Facility och Deep Underground Neutrino Experiment, känd som LBNF/DUNE.

LBNF/DUNE är planerad att börja fungera under 2020 -talet. Experimentet kräver en intensiv stråle av neutrinoer med hög energi-de mest intensiva i världen. Endast den mest kraftfulla protonstrålen kan ge upphov till mängden neutrinoer som LBNF/DUNE behöver.

Forskare är för närvarande i ett tidigt teststadium för LBNF/DUNE -mål, undersöker material som tål högprotonerna. För närvarande pågår beryllium och grafit, som de sträcker sig till dess gränser. När de slutgiltigt bestämmer vilket material som kommer ut överst, de går vidare till designprototypfasen. Än så länge, de flesta av deras tester pekar på grafit som det bästa valet.

Målen kommer att fortsätta utvecklas och anpassas. LBNF/DUNE ger bara ett exempel på nästa generations mål.

"Vår forskning styr inte bara designen för LBNF/DUNE, "Hurh sa." Det är för själva vetenskapen. Det kommer alltid att finnas olika och kraftfullare partikelstrålar, och mål kommer att utvecklas för att klara utmaningen. "