Det var en tre timmar lång roadtrip på natten som avslutade en resa som började för sju år sedan.

Från cirka 12.30-3.00 på fredagen, 16 augusti, den första stora supraledande sektionen av en partikelaccelerator som kommer att driva det största neutrinoexperimentet i världen tog sig längs en serie Chicagoland-vägar i avsiktliga 10 miles per timme.

Dras på en speciell bärare skapad just för sin 25 mil långa resa, klockan 03:07 drog den nio ton tunga strukturen in i sitt permanenta hem vid Department of Energy's Fermilab. Den kom från närliggande Argonne National Laboratory, också ett DOE nationellt laboratorium.

Den högteknologiska komponenten är den första färdigställda kryomodulen för PIP-II-partikelacceleratorn, en kraftfull maskin som kommer att bli hjärtat i Fermilabs acceleratorkomplex. Acceleratorn kommer att generera högeffektstrålar av protoner, som i sin tur kommer att producera världens mest kraftfulla neutrinostråle, för det internationella Deep Underground Neutrino Experiment, värd för Fermilab och tillhandahåller den långsiktiga framtiden för Fermilabs forskningsprogram.

PIP-II är det första partikelacceleratorprojektet i USA med betydande internationellt bidrag, med hålrum och kryomoduler byggda i Frankrike, Indien, Italien, Storbritannien och USA.

Kryomodulsatsningen på Argonne började 2012. Forskare och ingenjörer vid Argonne ledde dess design, arbetar med ett Fermilab-team. Argonne-gruppen byggde också kryomodulen, testade dess underkomponenter och monterade den, utveckla en design som används i en av Argonnes partikelacceleratorer.

Och nu har den kommit.

"Det finns en djupgående betydelse i ankomsten av den första PIP-II kryomodulen:den inleder en ny era för Fermilab acceleratorkomplexet, eran av supraledande radiofrekvensacceleration, " sa Fermilab PIP-II projektledare Lia Merminga.

PIP-II accelerator ritningen

En kryomodul är huvudenheten i en partikelaccelerator. Som bilarna på ett tåg, kryomoduler kopplas ihop från ände till ände. PIP-II linjär accelerator kommer att omfatta 23 av dem, sammanlagt till cirka 200 meter, landningsbana med nästan lätt hastighet för kraftfulla protoner.

Mycket kraftfulla protoner. Den nya acceleratorn kommer att möjliggöra en 1,2 megawatt protonstråle för laboratoriets experiment. Det är 60 % mer kraft än vad labbets nuvarande acceleratorkedja kan ge.

Och den sätts ihop en kryomodul i taget. Var och en rymmer en rad supraledande accelerationskaviteter. Dessa glänsande metallrör ger energi till strålen, och de är också placerade ände till ände. När protonstrålen skjuter genom den ena håligheten efter den andra, den tar energi, tack vare de elektromagnetiska fälten inuti kaviteterna, driva strålen framåt.

När strålen lämnar den sista kaviteten i den sista PIP-II-kryomodulen, den kommer att ha fått 800 miljoner elektronvolt energi och färdas med 84 % av ljusets hastighet.

Sedan är det verkligen iväg till tävlingarna:Efter att strålen lämnar PIP-II linac, det kommer att fortsätta längs någon av ett antal vägar, laddar genom Fermilabs acceleratorer och så småningom krossas i ett materialblock. Den resulterande duschen av partiklar kommer att sorteras och dirigeras till olika experiment, där forskare studerar dessa bitar av materia för att bättre förstå hur vårt universum fungerar på sin mest grundläggande nivå.

60 % ökning av PIP-II-effekten – med potential att öka effekten till multimegawattområdet vid ett senare tillfälle – kommer att ge fler partiklar för forskare att studera, påskynda vägen till upptäckt.

PIP-II acceleratorn förväntas integreras i Fermilab acceleratorkomplexet 2026.

Rider halvvågen

Den Argonne-designade PIP-II kryomodulen innehåller åtta accelererande håligheter som ser ut som stora ballongflugor. De är en speciell typ, kallas halvvågsresonatorer. ("Halvvåg, " eftersom profilen för det elektromagnetiska fältet inuti det liknar hälften av en stående våg.)

Halvvågsresonatorkryomodulen kommer att vara först i raden 23 och den enda i sitt slag vid PIP-II.

Halvvågsresonatorns kryomoduls uppgift är att få igång strålen nästan så fort den kommer ut ur porten, tar det från 2 till 10 miljoner elektronvolt. Varje kryomodul efter det tar sin tur ramping upp strålen till sin slutliga energi på 800 miljoner elektronvolt.

Dess design är baserad på de som används i Argonnes ATLAS-partikelaccelerator, som accelererar tunga joner för kärnfysikforskning.

PIP-II-versionen har några förbättringar. För en, kavitetens prestanda är förstklassig, tack vare framsteg inom accelerationsteknik. Kaviteterna är gjorda av supraledande niob. Förfiningar under det senaste decenniet i både niobbehandling och kavitetstillverkning har gjort det möjligt för PIP-II-kaviteter att sparka strålen till högre energier över kortare avstånd jämfört med ATLAS och andra jämförbara kaviteter. De är också mer energieffektiva.

"Vi är stolta över hålrummen vi har byggt och deras prestanda, "sa Argonne -fysikern Zack Conway, som ledde arbetet med att bygga hålrummen. "De är verkligen världsledande."

Kryomodulen håller hålrummen vid svala 2 kelvin, eller minus 270 grader Celsius. Niob supraledare vid 9,2 K, men dess prestanda skjuter i höjden med 2 K. Avancerad kryogenik ("kryo" i kryomodulen) säkerställer att PIP-II-kaviteterna bibehåller sin kylningstemperatur.

Resultatet är ett högpresterande fordon för balk.

"Det har varit bra att samarbeta med ett av våra systerlabb, "sa Fermilab -forskaren Joe Ozelis, som övervakar kryomodulprojektet. "Denna modell av samarbete med våra partners är nyckeln till den fortsatta framtida framgången för PIP-II. Det är glädjande att nu veta att det verkligen kan fungera."

Dags att testa

Den nyligen ankomna kryomodulen har en bit kvar innan den kommer att installeras permanent som en del av PIP-II linjäracceleratorn. Under de kommande månaderna, Fermilabs PIP-II-grupp kommer att utföra en serie tester för att säkerställa att den uppfyller specifikationerna. Sedan, nästa år, en Fermilab -grupp kommer att testa den med stråle, sätta kryomodulen genom sina steg.

"Det första av någonting i ett sådant här projekt är alltid spännande, men det finns mer för det här för mig personligen, "sa Genfa Wu, Fermilab-fysiker och en PIP-II SRF- och kryogensystemansvarig. "Detta är den första lågbeta supraledande kryomodulen jag kommer att få testa i min yrkeserfarenhet."

Det är också en första genomgång av PIP-II-kryomodulsamarbetet mer generellt. Tjugotvå kryomoduler ska ännu byggas och testas på Fermilab, varav 15 kommer från länder utanför USA, inklusive en prototyp.

"PIP-II är ett internationellt samarbete, " sa Wu. "Vi arbetar aktivt med våra internationella partners för att se till att alla kryomoduler fungerar tillsammans."

Partners i global vetenskap

PIP-II:s internationalitet återspeglar det största experiment det kommer att driva, Deep Underground Neutrino Experiment, stöds av Long-Baseline Neutrino Facility på Fermilab. Det vetenskapliga flaggskeppsprojektet syftar till att låsa upp neutrinos mysterier, subtila partiklar som kan bära avtrycket av universums början.

Protoner från PIP-II-strålen kommer att producera en stråle av neutriner, som kommer att skickas 800 miles rakt genom jordskorpan från Fermilab till partikeldetektorer som ligger en mil under jorden vid Sanford Underground Research Facility i South Dakota. DUNE -forskare kommer att studera hur neutrinoerna förändras över den långa sträckan. Deras resultat syftar till att berätta varför vi lever i ett universum som domineras av materia.

Mer än 1, 000 forskare från dussintals länder deltar i LBNF/DUNE, som startar i mitten av 2020-talet. Det är ett globalt projekt med de ambitiösa forskningsmålen att matcha. Och fyra av LBNF/DUNEs internationella partner bidrar också till PIP-II. För USA, PIP-II-projektets internationella karaktär är ett nytt sätt att bygga stora acceleratorprojekt.

"Halvvågsresonatorns kryomodul är ett fantastiskt exempel på hur DOE-labb samarbetar för att utföra stora projekt som involverar teknisk begåvning som inget enskilt labb har i sig, ", sa Merminga. "Genom att utnyttja Argonnes erfarenhet av halvvågsresonatorteknologi, Fermilab tar ett stort steg för att förverkliga sin framtid samtidigt som det banar väg för ännu mer samarbete. Exakt samma princip gäller för våra internationella partnerskap, gör PIP-II till ett mycket kraftfullt nytt paradigm för framtida acceleratorprojekt."

Och på något sätt, allt börjar gå ihop när en lastbil med en enorm, högteknologisk metallbehållare rullar nerför en gata mitt i natten.

"Samarbetet mellan har varit mycket smidigt, från design till tillverkning, " sa Conway. "Det har varit underbart."

Det ger utdelning i andra dimensioner, för.

"Vi har lärt oss så mycket av detta för framtida samarbeten, och de lärdomarna kommer att vara avgörande för linac-projektet som helhet, ", sade Ozelis. "Detta är mer än institutionellt. Det är också en mänsklig strävan."