C'était un road trip nocturne de trois heures qui a couronné un voyage commencé il y a sept ans.

De 00h30 à 3h00 environ le vendredi, 16 août la première grande section supraconductrice d'un accélérateur de particules qui alimentera la plus grande expérience de neutrinos au monde a parcouru une série de routes de Chicagoland à une vitesse délibérée de 10 milles à l'heure.

Transporté sur un transporteur spécial créé juste pour son voyage de 25 milles, à 3h07 du matin, la structure de neuf tonnes est entrée dans sa résidence permanente au Fermilab du ministère de l'Énergie. Il est arrivé du laboratoire national d'Argonne à proximité, également un laboratoire national du DOE.

Le composant de haute technologie est le premier cryomodule achevé pour l'accélérateur de particules PIP-II, une machine puissante qui deviendra le cœur du complexe d'accélérateurs du Laboratoire Fermi. L'accélérateur générera des faisceaux de protons de haute puissance, qui produira à son tour le faisceau de neutrinos le plus puissant au monde, pour l'expérience internationale Deep Underground Neutrino Experiment, hébergé par le Fermilab et assure la pérennité du programme de recherche du Fermilab.

PIP-II est le premier projet d'accélérateur de particules aux États-Unis avec une contribution internationale significative, avec des cavités et des cryomodules construits en France, Inde, Italie, le Royaume-Uni et les États-Unis.

L'effort de cryomodule à Argonne a commencé en 2012. Les scientifiques et les ingénieurs d'Argonne ont dirigé sa conception, travailler avec une équipe du Fermilab. Le groupe Argonne a également construit le cryomodule, testé ses sous-composants et assemblés, l'évolution d'une conception utilisée dans l'un des accélérateurs de particules d'Argonne.

Et maintenant c'est arrivé.

« L'arrivée du premier cryomodule PIP-II a une signification profonde :elle inaugure une nouvelle ère pour le complexe d'accélérateurs Fermilab, l'ère de l'accélération radiofréquence supraconductrice, " a déclaré Lia Merminga, directrice du projet Fermilab PIP-II.

Le schéma directeur de l'accélérateur PIP-II

Un cryomodule est l'unité principale d'un accélérateur de particules. Comme les voitures d'un train, les cryomodules sont attachés bout à bout. L'accélérateur linéaire PIP-II en comprendra 23, totalisant environ 200 mètres, piste proche de la vitesse de la lumière pour les protons puissants.

Des protons très puissants. Le nouvel accélérateur permettra un faisceau de protons de 1,2 mégawatt pour les expériences du laboratoire. C'est 60 % de puissance en plus que ce que la chaîne d'accélérateurs actuelle du laboratoire peut fournir.

Et c'est assemblé un cryomodule à la fois. Chacun abrite un chapelet de cavités d'accélération supraconductrices. Ces tubes métalliques brillants transmettent de l'énergie au faisceau, et eux aussi sont placés bout à bout. Lorsque le faisceau de protons traverse une cavité après l'autre, il prend de l'énergie, grâce aux champs électromagnétiques à l'intérieur des cavités, propulser le faisceau vers l'avant.

Au moment où le faisceau sort de la cavité finale du dernier cryomodule PIP-II, il aura gagné 800 millions d'électronvolts d'énergie et voyagera à 84 % de la vitesse de la lumière.

Ensuite, c'est vraiment parti pour les courses :après que le faisceau quitte le linac PIP-II, il continuera sur l'un des nombreux chemins, chargeant à travers les accélérateurs du Fermilab et finissant par s'écraser sur un bloc de matériau. La pluie de particules résultante sera triée et acheminée vers diverses expériences, où les scientifiques étudient ces morceaux de matière pour mieux comprendre comment notre univers fonctionne à son niveau le plus fondamental.

L'augmentation de 60% de la puissance PIP-II - avec le potentiel d'augmenter la puissance dans la gamme des multimégawatts à un moment ultérieur - fournira plus de particules pour les scientifiques à étudier, accélérer le chemin de la découverte.

L'accélérateur PIP-II devrait être intégré au complexe d'accélérateurs Fermilab en 2026.

Chevaucher la demi-onde

Le cryomodule PIP-II conçu par Argonne contient huit cavités accélératrices qui ressemblent à de gros nœuds papillon de ballon. C'est un type spécial, appelés résonateurs demi-onde. ("Demi-onde, " parce que le profil du champ électromagnétique à l'intérieur ressemble à la moitié d'une onde stationnaire.)

Le cryomodule résonateur demi-onde sera le premier de la lignée des 23 et le seul du genre au PIP-II.

Le travail du cryomodule résonateur demi-onde est de faire démarrer le faisceau presque dès qu'il sort de la grille, le faisant passer de 2 à 10 millions d'électronvolts. Ensuite, chaque cryomodule accélère à son tour le faisceau jusqu'à son énergie finale de 800 millions d'électronvolts.

Sa conception est basée sur celles utilisées dans l'accélérateur de particules ATLAS d'Argonne, qui accélère les ions lourds pour la recherche en physique nucléaire.

La version PIP-II comporte quelques améliorations. Pour un, les performances de la cavité sont de premier ordre, grâce aux progrès de la technologie d'accélération. Les cavités sont en niobium supraconducteur. Les raffinements au cours de la dernière décennie dans le traitement du niobium et la fabrication de cavités ont permis aux cavités PIP-II d'envoyer le faisceau à des énergies plus élevées sur des distances plus courtes par rapport à ATLAS et à d'autres cavités comparables. Ils sont également plus économes en énergie.

"Nous sommes fiers des cavités que nous avons construites et de leurs performances, " a déclaré le physicien d'Argonne Zack Conway, qui a dirigé l'effort pour construire les cavités. "Ils sont vraiment des leaders mondiaux."

Le cryomodule maintient les cavités à 2 kelvins frais, ou moins 270 degrés Celsius. supraconducteurs au niobium à 9,2 K, mais ses performances s'envolent à 2 K. La cryogénie avancée (le "cryo" dans le cryomodule) garantit que les cavités PIP-II maintiennent leur température de refroidissement.

Le résultat est un véhicule hautes performances pour faisceau.

« C'est bien de collaborer avec l'un de nos laboratoires partenaires, " a déclaré le scientifique du Fermilab Joe Ozelis, qui supervise le projet cryomodule. "Ce modèle d'effort de collaboration avec nos partenaires est la clé du succès futur continu du PIP-II. Il est gratifiant de savoir maintenant qu'il peut effectivement fonctionner."

Il est temps de tester

Le cryomodule récemment arrivé a du chemin à parcourir avant d'être installé de manière permanente dans le cadre de l'accélérateur linéaire PIP-II. Pour les prochains mois, Le groupe PIP-II du Fermilab effectuera une série de tests pour s'assurer qu'il répond aux spécifications. Puis, L'année prochaine, un groupe Fermilab le testera avec faisceau, mettre le cryomodule à l'épreuve.

"Le premier de quoi que ce soit dans un projet comme celui-ci est toujours excitant, mais il y a plus à cela pour moi personnellement, " dit Genfa Wu, Physicien du Fermilab et responsable du système PIP-II SRF et cryogénie. "C'est le premier cryomodule supraconducteur à faible bêta que je vais pouvoir tester au cours de mon expérience professionnelle."

Il s'agit également d'un premier essai pour la collaboration sur le cryomodule PIP-II de manière plus générale. Vingt-deux cryomodules doivent encore être construits et testés au Fermilab, dont 15 arriveront de l'extérieur des États-Unis, dont un prototype.

"PIP-II est une collaboration internationale, ", a déclaré Wu. "Nous travaillons activement avec nos partenaires internationaux pour nous assurer que tous les cryomodules fonctionnent ensemble."

Partenaires de la science mondiale

L'internationalité du PIP-II reflète la plus grande expérience qu'il propulsera, l'expérience Deep Underground Neutrino, soutenu par le Long-Baseline Neutrino Facility du Fermilab. Le projet scientifique phare vise à percer les mystères des neutrinos, particules subtiles qui peuvent porter l'empreinte des débuts de l'univers.

Les protons du faisceau PIP-II produiront un faisceau de neutrinos, qui sera envoyé à 800 milles directement à travers la croûte terrestre du laboratoire Fermi aux détecteurs de particules situés à un mille sous terre de l'installation de recherche souterraine de Sanford dans le Dakota du Sud. Les scientifiques de DUNE étudieront comment les neutrinos changent sur cette longue distance. Leurs découvertes visent à nous dire pourquoi nous vivons dans un univers dominé par la matière.

Plus de 1, 000 scientifiques de dizaines de pays participent au LBNF/DUNE, qui débutera au milieu des années 2020. Il s'agit d'un projet mondial avec des objectifs de recherche ambitieux à atteindre. Et quatre des partenaires internationaux du LBNF/DUNE contribuent également au PIP-II. Pour les États-Unis, le caractère international du projet PIP-II est une nouvelle façon de construire de grands projets d'accélérateurs.

« Le cryomodule à résonateur demi-onde est un excellent exemple de la façon dont les laboratoires du DOE travaillent ensemble pour exécuter des projets majeurs qui impliquent une aptitude technologique qu'aucun laboratoire ne possède par lui-même, " a déclaré Merminga. " En tirant parti de l'expérience d'Argonne dans la technologie des résonateurs demi-onde, Le Fermilab franchit une étape majeure dans la réalisation de son avenir tout en ouvrant la voie à encore plus de collaboration. C'est exactement le même principe qui s'applique à nos partenariats internationaux, faisant du PIP-II un nouveau paradigme très puissant pour les futurs projets d'accélérateurs."

Et à certains égards, tout commence à se mettre en place lorsqu'un camion avec un énorme, un conteneur métallique de haute technologie roule dans une rue au milieu de la nuit.

"La collaboration entre a été très fluide, de la conception à la fabrication, " a déclaré Conway. " C'est merveilleux. "

Il rapporte des dividendes dans d'autres dimensions, trop.

"Nous avons tellement appris de cela pour de futures collaborations, et ces leçons vont être vitales pour le projet de linac dans son ensemble, " dit Ozelis. " C'est plus qu'institutionnel. C'est aussi une entreprise humaine."