Le complexe d'accélérateurs du Laboratoire Fermi a franchi une étape importante :le département américain de l'Énergie a officiellement approuvé le Laboratoire national des accélérateurs Fermi pour poursuivre la conception du PIP-II, un projet de mise à niveau de l'accélérateur qui fournira une puissance de faisceau accrue pour générer un flux sans précédent de neutrinos - des particules subatomiques qui pourraient débloquer notre compréhension de l'univers - et permettre un vaste programme de recherche en physique pour de nombreuses années à venir.

Les mises à niveau de l'accélérateur PIP-II (Proton Improvement Plan II) font partie intégrante de l'expérience Deep Underground Neutrino (DUNE) hébergée par le Fermilab, qui est la plus grande expérience scientifique internationale jamais menée sur le sol américain. DUNE nécessite d'énormes quantités de neutrinos pour étudier la particule mystérieuse dans les moindres détails et, avec la dernière approbation pour PIP-II, Le Fermilab est positionné pour être le leader mondial de la recherche sur les neutrinos basée sur des accélérateurs. Le Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF), qui soutiendra également DUNE, a eu sa cérémonie d'inauguration en juillet 2017.

L'opportunité de contribuer au PIP-II a attiré des scientifiques et des ingénieurs du monde entier au Fermilab :le PIP-II est le premier projet d'accélérateur sur le sol américain qui bénéficiera d'importantes contributions de partenaires internationaux. Les partenariats PIP-II du Fermilab incluent des institutions en Inde, Italie, la France et le Royaume-Uni, ainsi que les États-Unis.

Le PIP-II capitalise sur les récentes avancées des accélérateurs de particules développées au Laboratoire Fermi et dans d'autres institutions qui permettront à ses accélérateurs de générer des faisceaux de particules à des puissances plus élevées que celles disponibles auparavant. Les faisceaux de particules à haute puissance créeront à leur tour des faisceaux de neutrinos intenses, fournir aux scientifiques une abondance de ces particules subtiles.

« Les accélérateurs de haute puissance du PIP-II et ses partenariats nationaux et multinationaux renforcent la position du Laboratoire Fermi en tant que capitale mondiale de la physique des neutrinos par accélérateur, " a déclaré le sous-secrétaire aux sciences du DOE, Paul Dabbar. " LBNF/DUNE, l'expérience mégascience du laboratoire Fermi pour la recherche sur les neutrinos, a déjà attiré plus de 1, 000 collaborateurs de 32 pays. Avec la montée en puissance du côté accélérateur de l'expérience sous la forme du PIP-II, non seulement Fermilab attire des collaborateurs du monde entier pour faire de la science des neutrinos, mais la physique des particules aux États-Unis bénéficie également d'un puissant coup de pouce."

Une étape importante

Le jalon du DOE est officiellement appelé approbation de la décision critique 1, ou CD-1. En accordant CD-1, Le DOE approuve l'approche et la fourchette de coûts du Fermilab. Le jalon marque l'achèvement de la phase de définition du projet et de la conception conceptuelle. L'étape suivante consiste à faire avancer le projet vers l'établissement d'une référence de performance.

« Nous considérons le PIP-II comme le cœur du Fermilab :une plateforme qui offre de multiples capacités et permet de vastes programmes scientifiques, y compris la source de neutrinos basée sur un accélérateur la plus puissante au monde, " a déclaré Lia Merminga, directrice du projet Fermilab PIP-II. " Avec le feu vert pour affiner notre plan, nous pouvons nous concentrer sur la conception du complexe d'accélérateurs PIP-II pour qu'il soit aussi puissant et flexible que possible."

Le puissant flux de neutrinos de PIP-II

Les neutrinos sont des particules omniprésentes mais éphémères, le plus difficile à capturer de tous les membres de la famille des particules subatomiques. Les scientifiques les capturent en envoyant des faisceaux de neutrinos générés par des accélérateurs de particules à détecteurs de hauteur. Plus le nombre de neutrinos envoyés aux détecteurs est important, plus il y a de chances que les détecteurs les attrapent, et plus il y a d'opportunités d'étudier ces artistes de l'évasion subatomique.

C'est là qu'intervient PIP-II.

Le complexe d'accélérateurs PIP-II amélioré du Laboratoire Fermi générera des faisceaux de protons d'une puissance nettement supérieure à celle actuellement disponible. L'augmentation de la puissance du faisceau se traduit par davantage de neutrinos qui peuvent être envoyés aux diverses expériences de neutrinos du laboratoire. Le résultat sera le faisceau de neutrinos à haute énergie le plus intense au monde.

L'objectif du PIP-II est de produire un faisceau de protons de plus de 1 mégawatt, environ 60 pour cent de plus que les fournitures existantes du complexe d'accélérateurs. Finalement, activé par PIP-II, Le Fermilab pourrait mettre à niveau l'accélérateur pour doubler cette puissance à plus de 2 mégawatts.

"A cette puissance, on peut juste inonder les détecteurs de neutrinos, " a déclaré le co-porte-parole de DUNE et physicien de l'Université de Chicago, Ed Blucher. " C'est ce qui est si excitant. Chaque neutrino qui s'arrête dans nos détecteurs ajoute un peu d'information à notre image de l'univers. Et plus les neutrinos s'arrêtent, plus nous nous rapprochons de remplir l'image."

Les plus grands et les plus ambitieux de ces détecteurs sont ceux de DUNE, qui devrait démarrer au milieu des années 2020. DUNE utilisera deux détecteurs séparés par une distance de 800 miles (1, 300 kilomètres) - un au Fermilab et un second, détecteur beaucoup plus grand situé à un mile sous terre dans le Dakota du Sud à l'installation de recherche souterraine de Sanford. Des prototypes de ces détecteurs de neutrinos technologiquement avancés sont actuellement en construction au laboratoire européen de physique des particules CERN, qui est un partenaire majeur de LBNF/DUNE, et devraient prendre des données plus tard cette année.

les accélérateurs du Fermilab, renforcée selon le plan PIP-II, enverra un faisceau de neutrinos au détecteur DUNE du Laboratoire Fermi. Le faisceau continuera son chemin à travers la croûte terrestre jusqu'au détecteur dans le Dakota du Sud. Les scientifiques étudieront les données recueillies par les deux détecteurs, en les comparant pour mieux comprendre comment les propriétés des neutrinos changent sur une longue distance.

Le détecteur situé dans le Dakota du Sud, connu sous le nom de détecteur de distance DUNE, est énorme. Il s'élèvera à quatre étages et occupera une superficie équivalente à un terrain de football. Avec sa plateforme support LBNF, DUNE est conçu pour gérer un déluge de neutrinos.

Et, avec la coopération de partenaires internationaux, PIP-II est conçu pour le fournir.

Partenaires du PIP-II

Le développement d'un accélérateur de particules majeur avec une participation internationale représente un nouveau paradigme dans les projets d'accélérateurs américains :PIP-II est le premier projet d'accélérateur basé aux États-Unis avec des partenaires multinationaux. Il s'agit actuellement de laboratoires en Inde (BARC, IUAC, RRCAT, VECC) et des institutions financées en Italie par l'Institut national de physique nucléaire (INFN), France (CEA et IN2P3), et au Royaume-Uni par le Science and Technology Facilities Council (STFC).

Dans un accord avec l'Inde, quatre institutions du Département indien de l'énergie atomique sont autorisées à fournir des équipements, avec des détails à formaliser avant le début de la construction.

« La communauté scientifique internationale apporte au projet une expertise et des capacités de premier plan. Leur engagement et leur sentiment d'appartenance partagés dans la réussite du projet sont parmi les points forts les plus convaincants du PIP-II, " dit Merminga.

Les partenaires du PIP-II contribuent aux composants de l'accélérateur, poursuivre leur développement conjointement avec le Fermilab par des échanges réguliers de scientifiques et d'ingénieurs. La collaboration est mutuellement bénéfique. Pour certains partenaires internationaux, cette collaboration présente une opportunité pour le développement de leurs propres installations et infrastructures ainsi que de l'industrie locale des accélérateurs.

Accélération de la technologie supraconductrice

La pièce maîtresse du projet PIP-II est la construction d'un nouvel accélérateur linéaire supraconducteur à radiofréquence (SRF), qui deviendra l'étape initiale de la chaîne d'accélérateurs Fermilab modernisée. Il remplacera l'actuel Fermilab Linac. ("Linac" est une abréviation courante pour "accélérateur linéaire, " dans lequel le faisceau de particules suit une trajectoire rectiligne.) Le plan est d'installer le linac SRF sous 25 pieds de terre dans le champ intérieur de l'anneau Tevatron maintenant déclassé.

Le nouveau linac SRF fournira un grand coup de pouce à son faisceau de particules dès le départ, doublant l'énergie du faisceau de son prédécesseur de 400 millions à 800 millions d'électronvolts. Ce coup de pouce permettra au complexe d'accélérateurs Fermilab d'atteindre une puissance de faisceau à l'échelle du mégawatt.

Les matériaux supraconducteurs ont une résistance électrique nulle, donc le courant les traverse sans effort. En tirant parti des composants supraconducteurs, les accélérateurs minimisent la quantité d'énergie qu'ils tirent du réseau électrique, en canaliser davantage vers le faisceau. Les faisceaux atteignent ainsi des énergies plus élevées à moindre coût que dans les accélérateurs à conduction normale, comme le Linac actuel du Laboratoire Fermi.

Dans le linac, des composants supraconducteurs appelés cavités accélératrices transmettront de l'énergie au faisceau de particules. Les cavités, qui ressemblent à des brins de jumbo, perles d'argent, sont en niobium et seront alignés bout à bout. Le faisceau de particules accélérera le long de l'axe d'une cavité après l'autre, prendre de l'énergie au fur et à mesure.

"Fermilab est l'un des pionniers de la technologie des accélérateurs supraconducteurs, " a déclaré Merminga. " Bon nombre des avancées développées ici vont dans le linac PIP-II SRF. "

Les cavités du linac seront encapsulées dans 25 cryomodules, qui abrite la cryogénie pour garder les cavités froides (pour maintenir la supraconductivité).

De nombreux accélérateurs de particules actuels et futurs sont basés sur la technologie supraconductrice, et les progrès qui aident les scientifiques à étudier les neutrinos ont des effets multiplicateurs en dehors de la science fondamentale. Des chercheurs développent des accélérateurs supraconducteurs pour la médecine, nettoyage de l'environnement, l'informatique quantique, l'industrie et la sécurité nationale.

Le schéma de faisceau

Dans le PIP-II, un faisceau de protons sera injecté dans le linac. Sur ses 176 mètres – six longueurs et demi de piscine olympique – le faisceau accélérera jusqu'à une énergie de 800 millions d'électronvolts. Une fois qu'il traverse le linac supraconducteur, il entrera dans le reste de la chaîne d'accélérateurs actuelle du Fermilab—trois autres accélérateurs—qui subiront également d'importantes améliorations au cours des prochaines années pour gérer le faisceau à plus haute énergie du nouveau linac. Au moment où le faisceau quitte l'accélérateur final, il aura une énergie allant jusqu'à 120 milliards d'électronvolts et plus de 1 mégawatt de puissance.

Après la sortie du faisceau de protons de la chaîne, il heurtera un cylindre de carbone segmenté. La collision faisceau-carbone créera une pluie d'autres particules, qui seront acheminés vers diverses expériences du Fermilab. Certaines de ces particules post-collision deviendront—se désintégreront en, " dans le jargon de la physique — les neutrinos, qui seront à ce stade déjà sur le chemin vers leurs détecteurs.

Le faisceau de protons initial du PIP-II, que les scientifiques pourront répartir entre LBNF/DUNE et d'autres expériences, peut être délivré par impulsions ou sous forme de flux de protons continu.

Les composants frontaux du PIP-II, ceux en amont du linac supraconducteur, sont déjà développés et en cours de test.

« Nous sommes très heureux d'avoir pu concevoir le PIP-II pour répondre aux exigences du programme neutrinos tout en offrant une flexibilité pour le développement futur du programme expérimental du Laboratoire Fermi dans un certain nombre de directions, " a déclaré Steve Holmes du Laboratoire Fermi, ancien directeur de projet PIP-II.

Le Fermilab prévoit d'achever le projet d'ici le milieu des années 2020, à temps pour le démarrage de LBNF/DUNE.

"Beaucoup de gens ont travaillé sans relâche pour concevoir la meilleure machine pour la science que nous voulons faire, " a déclaré Merminga. " La reconnaissance de leur excellent travail par l'approbation du CD-1 est encourageante pour nous. Nous sommes impatients de construire cet accélérateur de pointe."