Vad behöver du för att göra den mest intensiva strålen neutrinoer i världen? Bara några magneter och lite blyerts. Men inte dina vanliga hushållsgrejer. Trots allt, detta är världens mest intensiva högenergin neutrino stråle, så vi pratar om delar i jumbo-storlek:magneter på storlek på parkbänkar och ultrarena stavar av grafit lika höga som Danny DeVito.

Fysiska experiment som driver människans kunskap tenderar att fungera i ytterligheterna:de största och minsta skalorna, högsta intensiteten. Alla tre är sanna för det internationella Deep Underground Neutrino Experiment, värd av Department of Energy's Fermilab. Experimentet samlar mer än 1, 000 människor från 30 plus-länder för att ta itu med frågor som har hållit många vaken på natten:Varför är universum fullt av materia och inte antimateria, eller spelar ingen roll alls? Gör protoner, en av byggstenarna för atomer (och för oss), någonsin förfalla? Hur bildas svarta hål? Och lämnade jag spisen på?

Kanske inte den sista.

För att ta itu med de största frågorna, DUNE kommer att titta på mystiska subatomära partiklar som kallas neutrinos:neutral, knasiga wraiths som sällan interagerar med materia. Eftersom neutrinoer är så asociala, forskare kommer att bygga enorma partikeldetektorer för att fånga och studera dem. Mer materia inuti DUNE -detektorerna betyder fler saker för neutrinoer att interagera med, och dessa behemoth neutrino fällor kommer att innehålla totalt 70, 000 ton flytande argon. Hemma 1,5 kilometer under berget i Sanford Underground Research Facility i South Dakota, de kommer att skyddas från störande kosmiska strålar - även om neutrinoer inte kommer att ha några problem att passera genom den bufferten och träffa deras märke. Detektorerna kan plocka upp neutrinoer från exploderande stjärnor som kan utvecklas till svarta hål och fånga interaktioner från en medvetet riktad stråle av neutrinoer.

Neutrinos (och deras antimateria -motsvarigheter, antineutrinos) föds när andra partiklar sönderfaller, bär bort små mängder energi för att balansera den kosmiska huvudboken. Du hittar dem komma i flock från stjärnor som vår sol, inuti jorden, även kalium i bananer. Men om du vill göra biljoner högenergin neutrino varje sekund och skicka dem till en partikeldetektor djupt under jorden, du skulle vara hårt pressad att göra det genom att kasta frukt mot South Dakota.

Det är där Fermilabs partikelacceleratorkomplex kommer in.

Fermilab skickar partiklar genom en serie acceleratorer, var och en lägger till en hastighet och energi. Arbetet har påbörjats för en uppgradering till komplexet som kommer att inkludera en ny linjär accelerator i början av resan:PIP-II. Detta är det första acceleratorprojektet i USA med stora internationella bidrag, och det kommer att driva partiklar till 84% av ljusets hastighet när de färdas ungefär längden på två fotbollsplaner. Partiklar kommer sedan in i boosterringen för en annan ... ja, lyft, och slutligen gå till huvudinjektorn, Fermilabs kraftfullaste accelerator.

Vridningen? Fermilabs partikelacceleratorer driver fram protoner - användbara partiklar, men inte de som neutrino -forskare vill studera.

Så hur planerar forskare att göra Fermilabs första megawattstråle av protoner till biljonerna högenerginutrinoer som de behöver för DUNE varje sekund? Detta kräver lite extra infrastruktur:Long-Baseline Neutrino Facility, eller LBNF. En lång baslinje innebär att LBNF skickar sina neutrinoer en lång sträcka - 1, 300 kilometer, från Fermilab till Sanford Lab - och neutrino -anläggningen betyder ... låt oss göra några neutrinoer.

Steg 1:Ta några protoner

Det första steget är att suga bort partiklar från huvudinjektorn - annars den cirkulära acceleratorn kommer att fungera mer som en mery-go-round. Ingenjörer kommer att behöva bygga och ansluta en ny balklinje. Det är ingen lätt grej, med tanke på alla verktyg, andra strållinjer, och huvudinjektormagneter runt.

"Det är i ett av de mest överbelastade områdena i Fermilab -acceleratorkomplexet, "sa Elaine McCluskey, projektledaren LBNF på Fermilab. Förberedelser för webbplatser som börjar på Fermilab 2019 kommer att flytta några av verktygen ur vägen. Senare, när det är dags för LBNF -strålkonstruktionen, acceleratorkomplexet stängs tillfälligt av.

Besättningar kommer att flytta några av huvudinjektormagneterna säkert ur vägen och slå in i gaspedalens hölje. De kommer att bygga ett nytt utsugningsområde och balkhölje, installera sedan om huvudinjektormagneterna med ett nytt Fermilab-byggt tillägg:kickermagneter för att ändra strålens kurs. De kommer också att bygga den nya LBNF -strålen själv, med hjälp av 24 dipol- och 17 fyrfaldiga magneter, de flesta byggdes av Bhabha Atomic Research Center i Indien.

Steg 2:Sikta

Neutrinos är knepiga partiklar. Eftersom de är neutrala, de kan inte styras av magnetiska krafter på samma sätt som laddade partiklar (t.ex. protoner). När en neutrino är född, det fortsätter att gå åt vilket håll det än går, som ett barn som rider världens längsta Slip "N Slide. Denna egenskap gör neutrinoer till stora kosmiska budbärare men innebär ett extra steg för jordbundna ingenjörer:sikta.

När de bygger LBNF -strålen, besättningar kommer att drapera den längs kurvan på en 18 meter hög kulle. När protonerna nerför backen, de kommer att riktas mot DUNE -detektorerna i South Dakota. När neutrinoerna väl är födda, de kommer att fortsätta åt samma håll, ingen tunnel krävs.

Med alla magneterna på plats och allt tätat, acceleratoroperatörer kommer att kunna rikta protoner neråt den nya strållinjen, som att byta tåg på ett spår. Men istället för att dra in på en station, partiklarna kommer att springa full hastighet in i ett mål.

Steg 3:Krossa saker

Målet är en avgörande teknik. Medan den fortfarande designas, det är troligtvis en 1,5 meter lång stav av ren grafit-tänk på din blyertspenna på steroider.

Tillsammans med annan utrustning, den kommer att sitta inne i målhallen, ett förseglat rum fyllt med gasformigt kväve. DUNE startar med en protonstråle som kommer att gå med mer än 1 megawatt effekt, och det finns redan planer på att uppgradera strålen till 2,4 megawatt. Nästan allt som byggs för LBNF är utformat för att klara den högre strålintensiteten.

På grund av den rekordstora strålkraften, att manipulera någonting inuti den förseglade hallen kommer sannolikt att kräva hjälp av några robotvänner som styrs utanför de tjocka väggarna. Ingenjörer på KEK, forskningsorganisationen för hög energiaccelerator i Japan, arbetar med prototyper för element i den förseglade LBNF -målhallen.

Högeffektsstrålen av protoner kommer in i målhallen och slår in i grafiten som bowlingbollar som träffar stift, avsätta sin energi och släppa loss en spray av nya partiklar - mestadels pioner och kaoner.

"Dessa mål har ett mycket svårt liv, "sa Chris Densham, gruppledare för högeffektsmål vid STFC:s Rutherford Appleton Laboratory i Storbritannien, som är ansvarig för design och produktion av målet för en-megawattstrålen. "Varje protonpuls får temperaturen att hoppa upp med några hundra grader på några mikrosekunder."

LBNF -målet kommer att fungera runt 500 grader Celsius i ett slags Goldilocks -scenario. Grafit fungerar bra när det är varmt, men inte för varmt, så ingenjörer måste ta bort överskottsvärme. Men de kan inte låta det bli för coolt, antingen. Vatten, som används i vissa nuvarande måldesigner, skulle ge för mycket kylning, så specialister på RAL utvecklar också en ny metod. Den nuvarande föreslagna konstruktionen cirkulerar gasformigt helium, som kommer att röra sig cirka 720 kilometer i timmen - ett kryssningsfartygs hastighet - när det lämnar systemet.

Steg 4:Fokusera skräpet

När protoner slår mot målet och producerar pioner och kaoner, enheter som kallas fokuseringshorn tar över. Pionerna och kaonerna är elektriskt laddade, och dessa gigantiska magneter leder sprutan tillbaka in i en fokuserad stråle. En serie med tre horn som kommer att designas och byggas på Fermilab kommer att korrigera partikelbanorna och rikta dem mot detektorerna vid Sanford Lab.

För att designen ska fungera, målet - ett cylindriskt rör - måste sitta inne i det första hornet, cantilevered på plats från uppströms sidan. Detta orsakar några intressanta tekniska utmaningar. Det handlar om en balans mellan vad fysiker vill ha - ett längre mål som kan stanna längre - med vad ingenjörer kan bygga. Målet är bara ett par centimeter i diameter, och varje extra centimeter av längd gör det mer sannolikt att det hänger under protonerna och dragningen av jordens gravitation.

Ungefär som ett spel Operation, fysiker vill inte att målet ska röra vid hornets sidor.

För att skapa fokusfältet, metallhornen får 300, 000 ampere elektromagnetisk puls ungefär en gång per sekund-levererar mer laddning än en kraftig blixt. Om du stod bredvid, du vill sticka fingrarna i dina öron för att blockera bullret - och du skulle absolut inte vilja att något rör vid hornen, inklusive grafit. Ingenjörer kan stödja målet från båda ändar, men det skulle göra det oundvikliga borttagandet och bytet mycket mer komplicerat.

"Ju enklare du kan göra det, desto bättre, "Sa Densham." Det finns alltid en frestelse att göra något smart och komplicerat, men vi vill göra det så dumt som möjligt, så det är mindre att gå fel. "

Steg 5:Fysik händer

Fokuserad på en stråle, pionerna och kaonerna lämnar målhallen och färdas genom en 200 meter lång tunnel full av helium. Som de gör, de förfaller, föder neutrinoer och några partikelvänner. Forskare kan också byta hornen till fokuspartiklar med motsatt laddning, som sedan förfaller till antineutrinos. Skärmning i slutet av tunneln absorberar de extra partiklarna, medan neutrinoerna eller antineutrinoerna seglar vidare, ostörd, rakt igenom smuts och sten, mot deras öde i South Dakota.

"LBNF är ett komplext projekt, med många bitar som måste samverka, "sa Jonathan Lewis, projektledaren LBNF Beamline. "Det är laboratoriets framtid, fältets framtid i USA, och ett spännande och utmanande projekt. Möjligheten att avslöja neutrinos egenskaper är spännande vetenskap. "

DUNE -forskare kommer att undersöka neutrino -strålen vid Fermilab strax efter tillverkningen med hjälp av en sofistikerad partikeldetektor på plats, placerad precis i strålens bana. De flesta neutrinoer passerar rakt igenom detektorn, som de gör med all materia. Men en liten bråkdel kommer att kollidera med atomer inuti detektorn nära DUNE, att ge värdefull information om neutrino-strålens sammansättning samt neutrino-interaktioner med energi med hög energi.

Då är det dags att vinka farväl till de andra neutrinerna. Var snabb - deras 1, 300 kilometer resa nära ljusets hastighet tar fyra millisekunder, inte ens nära hur lång tid det tar att blinka ögat. Men för DUNE -forskare, arbetet kommer bara att börja.