Fermilabs acceleratorkomplex har uppnått en stor milstolpe:U.S. Department of Energy godkände formellt Fermi National Accelerator Laboratory för att fortsätta med sin design av PIP-II, ett acceleratoruppgraderingsprojekt som kommer att ge ökad strålkraft för att generera en aldrig tidigare skådad ström av neutriner – subatomära partiklar som kan låsa upp vår förståelse av universum – och möjliggöra ett brett program av fysikforskning under många år framöver.

PIP-II (Proton Improvement Plan II) acceleratoruppgraderingar är en integrerad del av det Fermilab-värdade Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), som är det största internationella vetenskapliga experimentet som någonsin genomförts på amerikansk mark. DUNE kräver enorma mängder neutriner för att studera den mystiska partikeln i utsökt detalj och, med det senaste godkännandet för PIP-II, Fermilab är positionerat för att vara världsledande inom acceleratorbaserad neutrinoforskning. The Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF), som också kommer att stödja DUNE, hade sin banbrytande ceremoni i juli 2017.

Möjligheten att bidra till PIP-II har dragit forskare och ingenjörer från hela världen till Fermilab:PIP-II är det första acceleratorprojektet på amerikansk mark som kommer att ha betydande bidrag från internationella partners. Fermilabs PIP-II-partnerskap inkluderar institutioner i Indien, Italien, Frankrike och Storbritannien, såväl som USA.

PIP-II drar nytta av de senaste framstegen inom partikelacceleratorn som utvecklats vid Fermilab och andra institutioner som gör det möjligt för dess acceleratorer att generera partikelstrålar med högre krafter än vad som tidigare var tillgängligt. Högeffektpartikelstrålarna kommer i sin tur att skapa intensiva neutrinostrålar, förse forskare med ett överflöd av dessa subtila partiklar.

"PIP-II:s högeffektacceleratorer och dess nationella och multinationella partnerskap förstärker Fermilabs position som världens acceleratorbaserade neutrinofysikhuvudstad, " sa DOE:s undersekreterare för vetenskap Paul Dabbar. "LBNF/DUNE, det Fermilab-baserade megavetenskapsexperimentet för neutrinoforskning, har redan lockat mer än 1, 000 medarbetare från 32 länder. Med acceleratorsidan av experimentet ökande i form av PIP-II, Fermilab lockar inte bara medarbetare över hela världen för att göra neutrinovetenskap, men amerikansk partikelfysik får också ett kraftfullt uppsving."

En stor milstolpe

DOE-milstolpen kallas formellt Critical Decision 1-godkännande, eller CD-1. Genom att bevilja CD-1, DOE godkänner Fermilabs upplägg och kostnadsintervall. Milstolpen markerar slutförandet av projektdefinitionsfasen och den konceptuella designen. Nästa steg är att flytta projektet mot att etablera en resultatbaslinje.

"Vi tänker på PIP-II som hjärtat av Fermilab:en plattform som ger flera möjligheter och möjliggör breda vetenskapliga program, inklusive den mest kraftfulla acceleratorbaserade neutrinokällan i världen, " sa Fermilab PIP-II projektledare Lia Merminga. "Med klartecken att förfina vår plan, vi kan fokusera på att designa PIP-II acceleratorkomplexet så att det blir så kraftfullt och flexibelt som det kan vara."

PIP-II:s kraftfulla neutrinoström

Neutrinos är allestädes närvarande men ändå flyktiga partiklar, den svåraste att fånga av alla medlemmar av den subatomära partikelfamiljen. Forskare fångar dem genom att skicka neutrinostrålar som genereras från partikelacceleratorer till stora, berättelser höga detektorer. Ju större antal neutriner som skickas till detektorerna, desto större är chansen att detektorerna kommer att fånga dem, och desto större möjlighet finns det att studera dessa subatomära flyktkonstnärer.

Det är där PIP-II kommer in.

Fermilabs uppgraderade PIP-II acceleratorkomplex kommer att generera protonstrålar med betydligt större kraft än vad som är tillgängligt för närvarande. Ökningen av strålkraften leder till fler neutriner som kan skickas till labbets olika neutrinoexperiment. Resultatet blir världens mest intensiva högenergi-neutrinostråle.

Målet med PIP-II är att producera en protonstråle på mer än 1 megawatt, cirka 60 procent högre än det befintliga acceleratorkomplexet. Så småningom, aktiverad av PIP-II, Fermilab skulle kunna uppgradera acceleratorn för att fördubbla den effekten till mer än 2 megawatt.

"Vid den makten, vi kan bara översvämma detektorerna med neutriner, " sa DUNEs medtalesman och fysikern Ed Blucher vid University of Chicago. "Det är det som är så spännande. Varje neutrino som stannar i våra detektorer lägger till lite information till vår bild av universum. Och ju fler neutriner som stannar, ju närmare vi kommer att fylla i bilden."

Den största och mest ambitiösa av dessa detektorer är de i DUNE, som planeras starta i mitten av 2020-talet. DUNE kommer att använda två detektorer åtskilda av ett avstånd på 800 miles (1, 300 kilometer) — en vid Fermilab och en andra, mycket större detektor placerad en mil under jorden i South Dakota vid Sanford Underground Research Facility. Prototyper av dessa tekniskt avancerade neutrinodetektorer är nu under uppbyggnad vid det europeiska partikelfysikalaboratoriet CERN, som är en viktig partner i LBNF/DUNE, och förväntas ta data senare i år.

Fermilabs acceleratorer, förbättras enligt PIP-II-planen, kommer att skicka en stråle av neutriner till DUNE-detektorn på Fermilab. Strålen kommer att fortsätta sin väg rakt genom jordskorpan till detektorn i South Dakota. Forskare kommer att studera data som samlats in av båda detektorerna, jämföra dem för att få bättre koll på hur neutrinos egenskaper förändras över långa avstånd.

Detektorn i South Dakota, känd som DUNE fjärrdetektorn, är enorm. Den kommer att stå fyra våningar högt och uppta en yta som motsvarar en fotbollsplan. Med sin stödjande plattform LBNF, DUNE är designad för att hantera en neutrinoflod.

Och, i samarbete med internationella partners, PIP-II är designad för att leverera den.

Partners i PIP-II

Utvecklingen av en stor partikelaccelerator med internationellt deltagande representerar ett nytt paradigm i amerikanska acceleratorprojekt:PIP-II är det första USA-baserade acceleratorprojektet med multinationella partners. För närvarande inkluderar dessa laboratorier i Indien (BARC, IUAC, RRCAT, VECC) och institutioner finansierade i Italien av National Institute for Nuclear Physics (INFN), Frankrike (CEA och IN2P3), och i Storbritannien av Science and Technology Facilities Council (STFC).

I ett avtal med Indien, fyra indiska institutioner för atomenergi är auktoriserade att bidra med utrustning, med detaljer som ska formaliseras innan byggstart.

"Det internationella forskarsamhället tar med världsledande expertis och kapacitet till projektet. Deras engagemang och delade känsla av ägarskap i projektets framgång är bland de mest övertygande styrkorna hos PIP-II, sa Merminga.

PIP-II-partners bidrar med acceleratorkomponenter, fortsätta sin utveckling tillsammans med Fermilab genom regelbundna utbyten av forskare och ingenjörer. Samarbetet är till ömsesidig nytta. För vissa internationella partners, detta samarbete ger en möjlighet till utveckling av egna anläggningar och infrastruktur samt lokal acceleratorindustri.

Accelererande supraledande teknik

Mittpunkten i PIP-II-projektet är konstruktionen av en ny superledande radiofrekvens (SRF) linjäraccelerator, som kommer att bli det första steget i den uppgraderade Fermilab acceleratorkedjan. Den kommer att ersätta nuvarande Fermilab Linac. ("Linac" är en vanlig förkortning för "linjär accelerator, " där partikelstrålen fortsätter längs en rak bana.) Planen är att installera SRF linac under 25 fot av smuts i inmarken av den nu avvecklade Tevatron-ringen.

Den nya SRF linac kommer att ge ett stort lyft till sin partikelstråle från början, fördubbling av strålenergin från sin föregångare från 400 miljoner till 800 miljoner elektronvolt. Den ökningen kommer att göra det möjligt för Fermilab acceleratorkomplex att uppnå megawatt-skala stråleffekt.

Supraledande material har noll elektriskt motstånd, så ström seglar genom dem utan ansträngning. Genom att dra fördel av supraledande komponenter, acceleratorer minimerar mängden ström de drar från elnätet, kanaliserar mer av det till strålen. Strålar uppnår alltså högre energier till lägre kostnad än i normalledande acceleratorer, som Fermilabs nuvarande Linac.

I linac, supraledande komponenter som kallas accelererande kaviteter kommer att ge energi till partikelstrålen. Hålrummen, som ser ut som strängar av jumbo, silverpärlor, är gjorda av niob och kommer att radas upp från början till slut. Partikelstrålen kommer att accelerera nedför axeln i den ena håligheten efter den andra, hämtar energi allt eftersom.

"Fermilab är en av pionjärerna inom supraledande acceleratorteknologi, "Många av de framsteg som utvecklats här går till PIP-II SRF linac."

Linac kaviteterna kommer att vara inneslutna i 25 kryomoduler, som innehåller kryogenik för att hålla hålrummen kalla (för att bibehålla supraledning).

Många nuvarande och framtida partikelacceleratorer är baserade på supraledande teknologi, och de framsteg som hjälper forskare att studera neutriner har multiplikationseffekter utanför grundläggande vetenskap. Forskare utvecklar supraledande acceleratorer för medicin, miljösanering, kvantberäkning, industri och nationell säkerhet.

Strålschemat

I PIP-II, en stråle av protoner kommer att injiceras i linac. Under loppet av sina 176 meter – sex och en halv olympisk poollängder – kommer strålen att accelerera till en energi på 800 miljoner elektronvolt. När den väl passerar genom den supraledande linacen, den kommer in i resten av Fermilabs nuvarande acceleratorkedja – ytterligare tre acceleratorer – som också kommer att genomgå betydande uppgraderingar under de närmaste åren för att hantera den högre energistrålen från den nya linacen. När strålen lämnar den sista acceleratorn, den kommer att ha en energi på upp till 120 miljarder elektronvolt och mer än 1 megawatt effekt.

Efter att protonstrålen lämnar kedjan, det kommer att träffa en segmenterad cylinder av kol. Strål-kol-kollisionen kommer att skapa en dusch av andra partiklar, som kommer att dirigeras till olika Fermilab-experiment. En del av dessa partiklar efter kollisionen kommer att "förmultna till, "i fysik lingo - neutrinos, som vid det här laget redan kommer att vara på väg mot sina detektorer.

PIP-II:s initiala protonstråle - som forskare kommer att kunna fördela mellan LBNF/DUNE och andra experiment - kan levereras i pulser eller som en kontinuerlig protonström.

Front-end-komponenterna för PIP-II – de uppströms från den supraledande linacen – är redan utvecklade och genomgår testning.

"Vi är mycket glada över att ha kunnat designa PIP-II för att möta kraven i neutrinoprogrammet samtidigt som vi ger flexibilitet för framtida utveckling av Fermilabs experimentella program i valfritt antal riktningar, " sa Fermilabs Steve Holmes, tidigare PIP-II projektledare.

Fermilab räknar med att slutföra projektet i mitten av 2020-talet, i tid för uppstart av LBNF/DUNE.

"Många människor arbetade outtröttligt för att designa den bästa maskinen för den vetenskap vi vill göra, ", sa Merminga. "Erkännandet av deras utmärkta arbete genom CD-1-godkännande är uppmuntrande för oss. Vi ser fram emot att bygga denna frontaccelerator."