À la fin des années 2020, Le Fermilab commencera à envoyer le faisceau de neutrinos le plus intense au monde à travers la croûte terrestre vers des détecteurs dans le Dakota du Sud pour l'expérience internationale Deep Underground Neutrino, ou DUNE. Lorsque le nouvel accélérateur de particules PIP-II sera mis en service, un faisceau intense de protons voyagera près de la vitesse de la lumière à travers une série de composants d'accélérateurs souterrains avant de traverser des fenêtres métalliques et d'entrer en collision avec une cible fixe pour produire les neutrinos. Les chercheurs ont l'intention de construire les fenêtres à partir d'un alliage de titane et testent l'endurance à la fatigue d'échantillons exposés à des faisceaux de protons pour voir leurs performances dans le nouveau complexe d'accélérateurs.

Droit dans le but

Lorsque les scientifiques du Fermilab ont entrepris de produire des neutrinos pour DUNE, ils doivent être incroyablement précis. L'accélérateur PIP-II utilisera des structures supraconductrices et des aimants puissants pour accélérer des rafales rapides de microsecondes de protons qui sont focalisés et orientés dans la bonne direction, visant les détecteurs DUNE dans le Dakota du Sud, avant qu'ils ne percutent la cible productrice de neutrinos sur le site du Fermilab.

La cible, qui se compose de tiges de graphite d'environ 1,5 mètre de longueur totale, est séparée du reste de l'accélérateur dans un récipient rempli d'hélium pour aider à maintenir les températures basses.

Les protons, voyageant à leur énergie maximale, entrer dans le navire par une fenêtre, puis frappez dans le mille pour produire une cascade de pions en décomposition rapide - des particules subatomiques à courte durée de vie - qui sortent par une deuxième fenêtre à l'arrière. En moins d'une seconde, les pions se seront non seulement désintégrés en neutrinos, mais ces neutrinos - qui n'ont presque pas de masse et voyagent près de la vitesse de la lumière - auront atteint leur destination dans le Dakota du Sud, un voyage de 800 milles.

Concevoir la baie cible n'est pas une tâche facile, ce qui est particulièrement vrai pour les fenêtres. Ils doivent avoir l'endurance nécessaire pour résister au faisceau de protons de haute puissance et à des températures supérieures à 200 degrés Celsius, tout en maintenant une intégrité structurelle suffisante pour résister aux différences de pression à travers la fenêtre. Non seulement que, mais ils doivent être aussi minces que possible pour minimiser l'interaction avec le faisceau de protons. En raison de ces conditions extrêmes, les fenêtres des accélérateurs ne sont pas en verre mais en métal.

Alors que les fenêtres métalliques ne laissent pas entrer beaucoup de lumière dans votre maison, ils ne constituent pas une grande barrière aux faisceaux de particules. Les atomes sont principalement constitués d'espace vide, et les protons de haute énergie voyagent à travers les interstices à l'intérieur et entre les atomes de la fenêtre avec relativement peu d'interaction.

Cependant, les poutres traversant les fenêtres sont très énergétiques, et la petite fraction de protons qui rebondissent sur les noyaux dans les fenêtres déposent de l'énergie sous forme d'ondes de chaleur et de vibration, qui présentent un risque de rupture du matériau et sont une source de préoccupation majeure pour les ingénieurs et les physiciens.

"Ces fenêtres doivent pouvoir supporter la chaleur générée par l'interaction du faisceau, ", a déclaré Sujit Bidhar, associé de recherche postdoctoral au Fermilab.

Tout ce chauffage et ce refroidissement font que les fenêtres à poutres se contractent et se dilatent rapidement.

"Le matériau cible se dilate en 10 microsecondes, " dit Bidhar. " Mais le matériau environnant ne s'étend pas, car il n'interagit pas directement avec le faisceau. Cela provoque une sorte d'effet de martèlement, que nous appelons les ondes de stress."

Les vagues à l'intérieur du matériau sont analogues à une personne nageant dans une piscine; se déplacer dans l'eau crée des vagues similaires qui se propageraient jusqu'au bord et ricocheraient vers leur point d'origine. Si le nageur devait ajouter de l'énergie supplémentaire en lançant un boulet de canon dans l'eau, la vague augmenterait en amplitude et pourrait déborder sur le côté.

Étant donné que les fenêtres cibles dans les accélérateurs sont solides, cependant, les fortes ondes qui les traversent fragilisent le matériau au fil du temps par un processus appelé fatigue, et au lieu de pouvoir barboter sur le bord d'une piscine, la contrainte induite finira par provoquer la rupture du réseau. Ce n'est pas une question de si, mais quand.

Prédire la prochaine grande pause

Les physiciens ont tout intérêt à savoir exactement combien de temps chaque composant d'accélérateur peut durer. Des pannes d'équipement inattendues peuvent entraîner de longs retards et des revers.

De nombreux accélérateurs de particules utilisent des fenêtres cibles en béryllium, un type rare de métal léger qui, jusqu'à maintenant, a montré les meilleurs résultats grâce à sa durabilité exceptionnelle. Mais physiciens et ingénieurs sont constamment à la recherche de moyens d'innover, et ceux qui développent des fenêtres cibles pour DUNE étudient les alliages de titane, qui peuvent avoir des propriétés qui leur permettent de mieux résister que leurs homologues au béryllium.

"Le titane a une résistance spécifique élevée ainsi qu'une résistance élevée aux contraintes de fatigue et à la corrosion, " a déclaré Kavin Ammigan, ingénieur senior au Laboratoire Fermi. "Nous effectuons des tests pour voir comment ces propriétés critiques changent lorsque le titane est exposé à des faisceaux de protons."

Les alliages de titane sont utilisés au Japan Proton Accelerator Research Complex – connu sous le nom de J-PARC – depuis plus d'une décennie avec des résultats prometteurs. Avec la mise à niveau PIP-II de Fermilab, le complexe d'accélérateurs de laboratoire accélérera un faisceau d'intensité beaucoup plus élevée qu'il ne le fait actuellement. Afin de prédire combien de temps dureront les fenêtres en titane au Fermilab, les chercheurs devaient tester des échantillons en utilisant des énergies de faisceau similaires.

Des échantillons de fatigue du titane fournis par les chercheurs du J-PARC ont été envoyés au Fermilab, où leurs propriétés mécaniques ont été testées. Les échantillons ont ensuite été matraqués par un intense faisceau de protons au Brookhaven National Laboratory pendant huit semaines, après quoi ils ont été renvoyés au Fermilab pour une autre série de tests afin de déterminer exactement comment les propriétés de l'alliage avaient changé et dégradé au fil du temps. En testant à la fois avant et après avoir été bombardé par des faisceaux de protons, les chercheurs peuvent prédire approximativement combien de temps les fenêtres en titane peuvent durer dans l'accélérateur mis à niveau.

Les données générées par le projet seront utiles non seulement pour le Fermilab et la mise à niveau du PIP-II, mais aussi pour d'autres institutions et futurs accélérateurs. L'installation de l'accélérateur J-PARC, par exemple, a l'intention d'augmenter l'intensité de son faisceau de particules et pourra utiliser les résultats de l'étude en cours pour prédire la durée de vie de la fenêtre cible en titane.

Avec ces informations en main, Les chercheurs du Fermilab pourront gérer de manière proactive leurs dispositifs de faisceau. Les fenêtres en titane seront retirées avant la fin de leur durée de vie prévue et remplacées par des fenêtres neuves, fenêtres infatigables.

Ammigan, Les collègues de Bidhar et du Fermilab ont terminé leur premier lot de mesures d'échantillons d'alliages de titane et prévoient d'en terminer un deuxième dans quelques mois. après quoi ils prévoient de publier leurs résultats.