I slutet av 2020-talet Fermilab kommer att börja skicka världens mest intensiva stråle av neutriner genom jordskorpan till detektorer i South Dakota för det internationella Deep Underground Neutrino Experiment, eller DUNE. När den nya PIP-II partikelacceleratorn kommer online, en intensiv stråle av protoner kommer att färdas nära ljusets hastighet genom en serie underjordiska acceleratorkomponenter innan de passerar genom metallfönster och kolliderar med ett stationärt mål för att producera neutrinerna. Forskare har för avsikt att konstruera fönstren av en titanlegering och testar utmattningshållfastheten hos prover som exponeras för protonstrålar för att se hur bra de kommer att prestera i det nya acceleratorkomplexet.

Rätt i mål

När Fermilab-forskare gav sig i kast med att producera neutriner för DUNE, de måste vara otroligt exakta. PIP-II acceleratorn kommer att använda supraledande strukturer och kraftfulla magneter för att accelerera snabba mikrosekundskurar av protoner som fokuseras och styrs i rätt riktning, riktade mot DUNE-detektorerna i South Dakota, innan de krossar det neutrinoproducerande målet på Fermilabplatsen.

Målet – som består av grafitstavar med en total längd på ungefär 1,5 meter – är separerat från resten av acceleratorn i ett kärl fyllt med helium för att hjälpa till att hålla temperaturen nere.

Protonerna, reser med maximal energi, gå in i kärlet genom ett fönster, träffa sedan tjurens öga för att producera en kaskad av snabbt sönderfallande pioner - kortlivade subatomära partiklar - som kommer ut genom ett andra fönster på baksidan. På mindre än en sekund, pionerna kommer inte bara att ha förfallit till neutriner, men dessa neutriner – som nästan inte har någon massa och färdas nära ljusets hastighet – kommer att ha nått sin destination i South Dakota, en resa på 800 mil.

Att designa målarrayen är ingen lätt uppgift, vilket särskilt gäller fönstren. De måste ha uthållighet för att motstå protonstrålen med hög effekt och temperaturer över 200 grader Celsius, allt samtidigt som tillräckligt strukturell integritet bibehålls för att hålla emot tryckskillnader över fönstret. Inte bara det, men de måste göras så tunna som möjligt för att minimera interaktionen med protonstrålen. På grund av dessa extrema förhållanden, acceleratorfönster är inte gjorda av glas utan av metall.

Även om metallfönster inte släpper in mycket ljus i ditt hem, de utgör inte mycket av en barriär för partikelstrålar. Atomer består mestadels av tomt utrymme, och högenergiprotoner färdas genom mellanrummen inom och mellan fönstrets atomer med relativt liten interaktion.

Dock, strålarna som passerar genom fönstren är mycket energiska, och den lilla del av protoner som återvänder från kärnor i fönstren avsätter energi i form av värme och vibrationsvågor, som innebär risk för att materialet spricker och är en stor källa till oro för ingenjörer och fysiker.

"Dessa fönster måste kunna upprätthålla värmen som genereras av strålens interaktion, " sa Fermilab postdoktorala forskningsassistent Sujit Bidhar.

All denna uppvärmning och kylning gör att balkfönstren snabbt drar ihop sig och expanderar.

"Målmaterialet expanderar inom 10 mikrosekunder, " Sa Bidhar. "Men det omgivande materialet expanderar inte, eftersom den inte interagerar direkt med strålen. Detta orsakar en slags hamrande effekt, som vi kallar stressvågor."

Vågorna inuti materialet är analoga med en person som simmar i en pool; rör sig genom vattnet skapar liknande vågor som skulle spridas ut till kanten och rikoschettera tillbaka till sin ursprungspunkt. Om simmaren skulle lägga till extra energi genom att göra en kanonkula i vattnet, vågen skulle öka i amplitud och kan spilla över sidan.

Eftersom målfönster i acceleratorer är solida, dock, starka vågor som passerar genom dem försvagar materialet med tiden genom en process som kallas trötthet, och istället för att kunna plaska över sidan av en pool, den inducerade spänningen kommer så småningom att få arrayen att gå sönder. Det är inte en fråga om, men när.

Förutsäger nästa stora genombrott

Fysiker har ett egenintresse av att veta exakt hur länge varje acceleratorkomponent kan förväntas hålla. Oväntade utrustningsfel kan leda till långa förseningar och bakslag.

Många partikelacceleratorer använder målfönster gjorda av beryllium, en sällsynt typ av lättviktsmetall som, ända tills nu, har visat de bästa resultaten tack vare sin exceptionella hållbarhet. Men fysiker och ingenjörer letar ständigt efter sätt att förnya sig, och de som utvecklar målfönster för DUNE undersöker titanlegeringar, som kan ha egenskaper som gör att de håller bättre än sina motsvarigheter i beryllium.

"Titan har en hög specifik hållfasthet samt en hög motståndskraft mot utmattningspåkänningar och korrosion, sa Kavin Ammigan, en senior ingenjör på Fermilab. "Vi testar för att se hur dessa kritiska egenskaper förändras när titan utsätts för protonstrålar."

Titanlegeringar har använts vid Japan Proton Accelerator Research Complex – känd som J-PARC – i över ett decennium med lovande resultat. Med Fermilabs PIP-II-uppgradering, laboratorieacceleratorkomplexet kommer att accelerera en mycket högre intensitetsstråle än vad det gör för närvarande. För att förutsäga hur länge titanfönster kommer att hålla hos Fermilab, forskare behövde testa prover med liknande strålenergier.

Titanutmattningsprover från forskare vid J-PARC skickades till Fermilab, där deras mekaniska egenskaper testades. Proverna slogs sedan av en intensiv stråle av protoner vid Brookhaven National Laboratory under loppet av åtta veckor, varefter de återfördes till Fermilab för ytterligare en testrunda för att fastställa exakt hur egenskaperna hos legeringen hade förändrats och försämrats över tiden. Genom att testa både före och efter att ha blivit bombarderad av protonstrålar, forskare kan grovt förutsäga hur länge fönster gjorda av titan tillåter kan förväntas hålla i den uppgraderade acceleratorn.

Data som genereras av projektet kommer att vara användbar inte bara för Fermilab och PIP-II-uppgraderingen, men också för andra institutioner och framtida acceleratorer. J-PARC acceleratoranläggning, till exempel, har planer på att öka intensiteten på sin partikelstråle och kommer att kunna använda resultaten från den aktuella studien för att förutsäga livslängden för titanmålfönstret.

Med denna information i handen, Fermilab-forskare kommer att proaktivt kunna hantera sina strålapparater. Titanfönster kommer att tas bort före slutet av deras förväntade livslängd och ersättas med färska, outtröttade fönster.

Ammigan, Bidhar och Fermilab-kollegor har slutfört sin första sats av provmätningar av titanlegering och planerar att ha en andra sats färdig om några månader, varefter de planerar att publicera sina resultat.