De quoi avez-vous besoin pour produire le faisceau de neutrinos le plus intense au monde ? Juste quelques aimants et une mine de crayon. Mais pas vos affaires ménagères habituelles. Après tout, c'est le faisceau de neutrinos à haute énergie le plus intense au monde, nous parlons donc de pièces géantes :des aimants de la taille de bancs de parc et des tiges de graphite ultrapures aussi hautes que Danny DeVito.

Les expériences de physique qui poussent l'étendue des connaissances humaines ont tendance à fonctionner aux extrêmes :les plus grandes et les plus petites échelles, les intensités les plus élevées. Les trois sont vrais pour l'expérience internationale Deep Underground Neutrino, hébergé par le Fermilab du ministère de l'Énergie. L'expérience rassemble plus de 1, 000 personnes de plus de 30 pays pour aborder des questions qui ont empêché de nombreuses personnes de dormir la nuit : Pourquoi l'univers est-il plein de matière et non d'antimatière ? ou pas du tout ? Faire des protons, l'un des éléments constitutifs des atomes (et de nous), jamais pourrir? Comment se forment les trous noirs ? Et est-ce que j'ai laissé la cuisinière allumée ?

Peut-être pas le dernier.

Pour aborder les plus grandes questions, DUNE examinera de mystérieuses particules subatomiques appelées neutrinos :neutres, des spectres vaporeux qui interagissent rarement avec la matière. Parce que les neutrinos sont si antisociaux, les scientifiques construiront d'énormes détecteurs de particules pour les attraper et les étudier. Plus de matière à l'intérieur des détecteurs DUNE signifie plus de choses avec lesquelles les neutrinos peuvent interagir, et ces pièges à neutrinos géants contiendront un total de 70, 000 tonnes d'argon liquide. Chez eux, à 1,5 kilomètre sous le rocher de l'installation de recherche souterraine de Sanford, dans le Dakota du Sud, ils seront protégés des interférences des rayons cosmiques, même si les neutrinos n'auront aucune difficulté à traverser ce tampon et à atteindre leur cible. Les détecteurs peuvent capter les neutrinos d'étoiles en explosion qui pourraient évoluer en trous noirs et capturer les interactions d'un faisceau de neutrinos délibérément dirigé.

Les neutrinos (et leurs homologues antimatière, antineutrinos) naissent lorsque d'autres particules se désintègrent, emportant de petites quantités d'énergie pour équilibrer le grand livre cosmique. Vous les trouverez venant en masse d'étoiles comme notre soleil, à l'intérieur de la Terre, même le potassium dans les bananes. Mais si vous voulez produire des milliers de milliards de neutrinos de haute énergie chaque seconde et les envoyer à un détecteur de particules en profondeur, vous auriez du mal à le faire en jetant des fruits vers le Dakota du Sud.

C'est là qu'intervient le complexe d'accélérateurs de particules du Laboratoire Fermi.

Fermilab envoie des particules à travers une série d'accélérateurs, chacun ajoutant un sursaut de vitesse et d'énergie. Les travaux ont commencé pour une mise à niveau du complexe qui comprendra un nouvel accélérateur linéaire au début du voyage :PIP-II. Il s'agit du premier projet d'accélérateur aux États-Unis avec des contributions internationales majeures, et il propulsera les particules à 84 % de la vitesse de la lumière lorsqu'elles se déplaceront sur la longueur de deux terrains de football. Les particules entrent ensuite dans le Booster Ring pour un autre… eh bien, renforcer, et enfin dirigez-vous vers l'injecteur principal, L'accélérateur le plus puissant du Laboratoire Fermi.

La torsion? Les accélérateurs de particules du Laboratoire Fermi propulsent des protons, des particules utiles, mais pas ceux que les scientifiques sur les neutrinos veulent étudier.

Alors, comment les chercheurs prévoient-ils de transformer le premier faisceau de protons d'un mégawatt du laboratoire Fermi en milliards de neutrinos de haute énergie dont ils ont besoin pour DUNE chaque seconde ? Cela nécessite des infrastructures supplémentaires :la Long-Baseline Neutrino Facility, ou LBNF. Une longue ligne de base signifie que LBNF enverra ses neutrinos sur une longue distance-1, 300 kilomètres, du Fermilab au Sanford Lab—et l'installation de neutrinos signifie… fabriquons des neutrinos.

Étape 1 :récupérer des protons

La première étape consiste à siphonner les particules de l'injecteur principal, sinon, l'accélérateur circulaire agira plutôt comme un manège. Les ingénieurs devront construire et connecter une nouvelle ligne de lumière. Ce n'est pas une mince affaire, compte tenu de tous les utilitaires, d'autres lignes de lumière, et les aimants de l'injecteur principal autour.

"C'est dans l'une des zones les plus congestionnées du complexe d'accélérateurs Fermilab, " a déclaré Elaine McCluskey, le chef de projet LBNF au Laboratoire Fermi. Les travaux de préparation du site commençant au Fermilab en 2019 déplaceront certains des services publics à l'écart. Plus tard, quand vient le temps de la construction de la ligne de lumière LBNF, le complexe d'accélérateurs s'éteindra temporairement.

Les équipes déplaceront en toute sécurité certains des aimants de l'injecteur principal et pénétreront dans l'enceinte de l'accélérateur. Ils construiront une nouvelle zone d'extraction et une enceinte de faisceau, puis réinstallez les aimants de l'injecteur principal avec un nouvel ajout construit par Fermilab :des aimants de poussée pour modifier la trajectoire du faisceau. Ils construiront également la nouvelle ligne de lumière LBNF elle-même, utilisant 24 aimants dipolaires et 17 quadrupôles, la plupart d'entre eux ont été construits par le Bhabha Atomic Research Center en Inde.

Étape 2 :viser

Les neutrinos sont des particules délicates. Parce qu'ils sont neutres, ils ne peuvent pas être dirigés par des forces magnétiques de la même manière que les particules chargées (comme les protons). Une fois qu'un neutrino est né, il continue de se diriger dans la direction où il allait, comme un enfant chevauchant le plus long Slip "N Slide du monde. Cette propriété fait des neutrinos d'excellents messagers cosmiques, mais signifie une étape supplémentaire pour les ingénieurs terrestres :viser.

Alors qu'ils construisent la ligne de lumière LBNF, les équipages le draperont le long de la courbe d'une colline de 18 mètres de haut. Quand les protons descendent la colline, ils seront pointés vers les détecteurs DUNE dans le Dakota du Sud. Une fois les neutrinos nés, ils continueront dans la même direction, aucun tunnel requis.

Avec tous les aimants en place et tout scellé hermétiquement, les opérateurs d'accélérateurs pourront diriger des protons vers la nouvelle ligne de lumière, comme la commutation d'un train sur une voie. Mais au lieu de se garer dans une gare, les particules courront à pleine vitesse dans une cible.

Étape 3 :écrasez les choses

La cible est une pièce cruciale de l'ingénierie. Tout en étant encore en cours de conception, il s'agit probablement d'une tige de graphite pur de 1,5 mètre de long - pensez à votre mine de crayon sur les stéroïdes.

Avec d'autres équipements, il sera assis à l'intérieur du hall cible, une pièce scellée remplie d'azote gazeux. DUNE démarrera avec un faisceau de protons qui fonctionnera à plus de 1 mégawatt de puissance, et il est déjà prévu d'augmenter le faisceau à 2,4 mégawatts. Presque tout ce qui est construit pour LBNF est conçu pour résister à cette intensité de faisceau plus élevée.

En raison de la puissance de faisceau record, manipuler quoi que ce soit à l'intérieur de la salle scellée nécessitera probablement l'aide de certains amis robots contrôlés de l'extérieur des murs épais. Ingénieurs chez KEK, l'organisme de recherche sur les accélérateurs de haute énergie au Japon, travaillent sur des prototypes pour les éléments de la conception du hall cible LBNF scellé.

Le faisceau de protons à haute puissance entrera dans le hall cible et s'écrasera dans le graphite comme des boules de bowling frappant des quilles, déposant leur énergie et libérant une gerbe de nouvelles particules, principalement des pions et des kaons.

"Ces cibles ont une vie très dure, " a déclaré Chris Densham, chef de groupe pour les cibles de forte puissance au laboratoire Rutherford Appleton de STFC au Royaume-Uni, qui est responsable de la conception et de la production de la cible pour le faisceau d'un mégawatt. "Chaque impulsion de proton fait monter la température de quelques centaines de degrés en quelques microsecondes."

La cible LBNF fonctionnera à environ 500 degrés Celsius dans une sorte de scénario Boucle d'or. Le graphite se comporte bien quand il fait chaud, mais pas trop chaud, les ingénieurs devront donc éliminer l'excès de chaleur. Mais ils ne peuvent pas laisser ça devenir trop cool, Soit. L'eau, qui est utilisé dans certaines conceptions de cibles actuelles, fournirait trop de refroidissement, les spécialistes de RAL développent donc également une nouvelle méthode. La conception actuelle proposée fait circuler de l'hélium gazeux, qui se déplacera à environ 720 kilomètres à l'heure – la vitesse d'un avion de ligne de croisière – au moment où il sortira du système.

Étape 4 :Concentrez les débris

Lorsque les protons frappent la cible et produisent des pions et des kaons, des appareils appelés cornes de focalisation prennent le relais. Les pions et les kaons sont chargés électriquement, et ces aimants géants redirigent le jet vers un faisceau focalisé. Une série de trois cornes qui seront conçues et construites au Fermilab corrigeront les trajectoires des particules et les dirigeront vers les détecteurs du Sanford Lab.

Pour que la conception fonctionne, la cible, un tube cylindrique, doit se trouver à l'intérieur de la première corne, en porte-à-faux en place du côté amont. Cela pose des défis d'ingénierie intéressants. Cela se résume à un équilibre entre ce que veulent les physiciens - une cible plus longue qui peut rester en service plus longtemps - et ce que les ingénieurs peuvent construire. La cible n'a que quelques centimètres de diamètre, et chaque centimètre supplémentaire de longueur le rend plus susceptible de s'affaisser sous le barrage de protons et l'attraction de la gravité terrestre.

Tout comme un jeu d'opération, les physiciens ne veulent pas que la cible touche les côtés de la corne.

Pour créer le champ de mise au point, les cornes métalliques reçoivent un 300, Impulsion électromagnétique de 000 ampères environ une fois par seconde, délivrant plus de charge qu'un puissant éclair. Si tu te tenais à côté, vous voudriez mettre vos doigts dans vos oreilles pour bloquer le bruit - et vous ne voudriez certainement pas que quelque chose touche les cornes, y compris le graphite. Les ingénieurs pourraient soutenir la cible des deux côtés, mais cela rendrait l'enlèvement et le remplacement inévitables beaucoup plus compliqués.

"Plus vous pouvez faire simple, le meilleur, " Densham a déclaré. "Il y a toujours une tentation de faire quelque chose d'intelligent et de compliqué, mais nous voulons le rendre aussi stupide que possible, donc il y a moins à se tromper."

Étape 5 :La physique se produit

Focalisé dans un faisceau, les pions et les kaons sortent du hall cible et traversent un tunnel de 200 mètres de long rempli d'hélium. Comme ils le font, ils se décomposent, donnant naissance aux neutrinos et à quelques amis particules. Les chercheurs peuvent également changer les cornes pour focaliser les particules avec la charge opposée, qui se désintègrent ensuite en antineutrinos. Le blindage au bout du tunnel absorbe les particules supplémentaires, tandis que les neutrinos ou les antineutrinos naviguent, imperturbable, droit à travers la terre et la roche, vers leur destin du Dakota du Sud.

"LBNF est un projet complexe, avec beaucoup de pièces qui doivent fonctionner ensemble, " a déclaré Jonathan Lewis, le chef de projet LBNF Ligne de Lumière. "C'est l'avenir du labo, l'avenir du domaine aux États-Unis, et un projet passionnant et stimulant. La perspective de découvrir les propriétés des neutrinos est une science passionnante."

Les scientifiques de DUNE examineront le faisceau de neutrinos au Laboratoire Fermi juste après sa production à l'aide d'un détecteur de particules sophistiqué sur place, placé juste dans la trajectoire du faisceau. La plupart des neutrinos passeront directement à travers le détecteur, comme ils le font avec toute matière. Mais une petite fraction entrera en collision avec des atomes à l'intérieur du détecteur proche du site DUNE, fournissant des informations précieuses sur la composition du faisceau de neutrinos ainsi que sur les interactions des neutrinos de haute énergie avec la matière.

Ensuite, il est temps de dire au revoir aux autres neutrinos. Soyez rapide—leur 1, Un voyage de 300 kilomètres à une vitesse proche de la vitesse de la lumière prendra quatre millisecondes, même pas près du temps qu'il faut pour cligner des yeux. Mais pour les scientifiques de DUNE, le travail ne fera que commencer.