Pour certains, une cible fait partie d'un jeu de fléchettes. Pour les autres, c'est une chaîne de vente au détail. En physique des particules, c'est le lieu d'une intense, environnement complexe qui joue un rôle crucial dans la génération des plus petits composants de l'univers à étudier par les scientifiques.

La cible est un acteur méconnu des expériences de physique des particules, souvent en retrait par rapport aux faisceaux de particules à la vitesse de la lumière et aux détecteurs de particules géants. Pourtant, de nombreuses expériences n'existeraient pas sans cible. Et, ne fais pas d'erreur, une cible qui tient le coup est un joueur précieux.

Les scientifiques et les ingénieurs du Laboratoire Fermi étudient actuellement des cibles pour l'étude des neutrinos, des particules mystérieuses qui pourraient détenir la clé de l'évolution de l'univers.

Interactions intenses

L'expérience typique de physique des particules est organisée de l'une des deux manières suivantes. En premier, deux faisceaux de particules énergétiques se heurtent, générant une pluie d'autres particules à étudier par les scientifiques.

Dans la seconde, le faisceau de particules frappe un stationnaire, matériau solide - la cible. Dans cette configuration à cible fixe, la réunion puissante produit la pluie de particules.

En tant que crash pad pour les faisceaux intenses, une cible nécessite une constitution robuste. Il doit résister à des assauts répétés de faisceaux de haute puissance et résister à des températures élevées.

Vous pourriez penser que, en tant qu'acteurs incontournables dans le jeu de la production de particules, les cibles ressembleraient à un mur de forteresse (ou peut-être avez-vous imaginé un jeu de fléchettes). Mais les cibles prennent des formes différentes :longues et fines, volumineux et large. Ils sont également faits de différents matériaux, selon le type de particule que l'on veut faire. Ils peuvent être en métal, l'eau ou même des nanofibres spécialement conçues.

Dans une expérience à cible fixe, le faisceau - disons, un faisceau de protons-courses vers la cible, le frapper. Les protons du faisceau interagissent avec les noyaux du matériau cible, et les particules résultantes s'éloignent de la cible dans toutes les directions. Des aimants acheminent ensuite et encerclent certaines de ces particules nouvellement nées vers un détecteur, où les scientifiques mesurent leurs propriétés fondamentales.

Le berceau des particules

Les particules qui émergent de l'interaction faisceau-cible dépendent en grande partie du matériau cible. Considérez les expériences sur les neutrinos du Fermilab.

Dans ces expériences, après que les protons frappent la cible, certaines des particules de la pluie de particules subséquente se désintègrent ou se transforment en neutrinos.

La cible doit être faite de la bonne matière.

"Les cibles sont cruciales pour la recherche en physique des particules, " a déclaré le scientifique du Fermilab Bob Zwaska. " Ils nous permettent de créer toutes ces nouvelles particules, comme les neutrinos, que nous voulons étudier."

Le graphite est un matériau de boucle d'or pour les cibles de neutrinos. S'il est maintenu à la bonne température dans le faisceau de protons, le graphite génère des particules de juste la bonne énergie pour pouvoir se désintégrer en neutrinos.

Pour les cibles neutroniques, comme celle de la source de neutrons de spallation du laboratoire national d'Oak Ridge, des métaux plus lourds tels que le mercure sont utilisés à la place.

Une interaction maximale est l'objectif de la conception d'une cible. La cible de l'expérience neutrino NOvA du Fermilab, par exemple, est une rangée droite (environ la longueur de votre jambe) d'ailettes en graphite qui ressemblent à de grands dominos. Le faisceau de protons descend son axe, et chaque rencontre avec un aileron produit une interaction. La forme mince de la cible garantit que peu de particules projetées après la collision sont réabsorbées dans la cible.

Cibles de particules, résister

"Tant que les scientifiques auront les particules dont ils ont besoin pour étudier, ils sont heureux. Mais en bas de la ligne, parfois les cibles sont endommagées, " a déclaré Patrick Hurh, ingénieur du Fermilab. Dans de tels cas, les ingénieurs doivent baisser (ou parfois éteindre) la puissance du faisceau. "Si le faisceau n'est pas à pleine capacité ou est éteint, nous ne produisons pas autant de particules que possible pour la science."

Plus il y a de protons emballés dans le faisceau, plus ils ont d'interactions avec la cible, et plus il y a de particules produites pour la recherche. Les cibles doivent donc être en parfait état autant que possible. Cela signifie généralement remplacer les cibles à mesure qu'elles s'usent, mais les ingénieurs explorent toujours des moyens d'améliorer la résistance de la cible, que ce soit par le design ou la matière.

Considérez quelles cibles sont confrontées. Ce ne sont pas seulement les collisions à haute énergie (les types d'interactions qui produisent des particules à étudier) qui durent.

Les interactions à plus faible énergie peuvent avoir des effets à long terme, impacts négatifs sur une cible, accumuler de l'énergie thermique à l'intérieur. Au fur et à mesure que le matériau cible monte en température, il devient plus vulnérable à la fissuration. Les zones chaudes en expansion martèlent les zones froides, créant des vagues d'énergie qui déstabilisent sa structure.

Certaines des collisions dans un faisceau à haute énergie peuvent également créer des éléments légers tels que l'hydrogène ou l'hélium. Ces gaz s'accumulent avec le temps, créant des bulles et rendant la cible moins résistante aux dommages.

Un proton du faisceau peut même faire tomber un atome entier, perturbant la structure cristalline de la cible et lui faisant perdre sa durabilité.

Clairement, être une cible n'est pas un pique-nique, Ainsi, les scientifiques et les ingénieurs améliorent toujours les cibles pour mieux rouler avec un coup de poing.

Par exemple, graphite, utilisé dans les expériences sur les neutrinos du Fermilab, résiste aux contraintes thermiques. Et, puisqu'il est poreux, les gaz accumulés qui pourraient normalement se coincer entre les atomes et perturber leur arrangement peuvent à la place migrer vers des zones ouvertes dans la structure atomique. Le graphite est capable de rester stable et de résister aux ondes d'énergie du faisceau de protons.

Les ingénieurs trouvent également des moyens de maintenir une température cible constante. Ils le conçoivent pour qu'il soit facile à garder au frais, intégrer des instruments de refroidissement supplémentaires dans la conception de la cible. Par exemple, des tubes d'eau externes aident à refroidir la cible de l'expérience sur les neutrinos NOvA du laboratoire Fermi.

Cibles pour faisceaux de neutrinos intenses

Au Laboratoire Fermi, les scientifiques et les ingénieurs testent également de nouvelles conceptions pour ce qui sera le faisceau de protons le plus puissant du laboratoire, le faisceau de l'installation phare de neutrinos à longue base du laboratoire et de l'expérience Deep Underground Neutrino, connu sous le nom de LBNF/DUNE.

LBNF/DUNE devrait entrer en service dans les années 2020. L'expérience nécessite un faisceau intense de neutrinos de haute énergie, le plus intense au monde. Seul le faisceau de protons le plus puissant peut donner naissance aux quantités de neutrinos dont LBNF/DUNE a besoin.

Les scientifiques en sont actuellement aux premières étapes des tests pour les cibles LBNF/DUNE, étudier les matériaux qui peuvent résister aux protons de haute puissance. Actuellement en lice sont le béryllium et le graphite, qu'ils poussent jusqu'à ses limites. Une fois qu'ils ont déterminé de manière concluante quel matériau vient en tête, ils passeront à la phase de prototypage de la conception. Jusque là, la plupart de leurs tests indiquent que le graphite est le meilleur choix.

Les cibles continueront d'évoluer et de s'adapter. LBNF/DUNE ne fournit qu'un exemple de cibles de nouvelle génération.

"Notre recherche ne se limite pas à guider la conception de LBNF/DUNE, " Hurh dit. " C'est pour la science elle-même. Il y aura toujours des faisceaux de particules différents et plus puissants, et les cibles évolueront pour relever le défi."