Geduld und Komplexität sind die Kennzeichen wissenschaftlicher Grundlagenforschung. Die Arbeit im Office of Science des Department of Energy (DOE) braucht Zeit.
Ein typisches Beispiel: Technische Mitarbeiter des Fermi National Accelerator Laboratory des DOE haben einen Prototyp eines supraleitenden Kryomoduls für den Proton Improvement Plan II gebaut (PIP-II) Projekt.
Vier dieser 39 Fuß langen Schiffe, die jeweils erstaunliche 27.500 Pfund wiegen, werden dafür verantwortlich sein, Wasserstoffionen auf mehr als 80 % der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Letztendlich werden die Kryomodule den letzten Abschnitt des neuen Linearbeschleunigers oder Linac bilden, der den Beschleunigerkomplex von Fermilab antreiben wird.
Physiker beschleunigen Teilchen gerne auf immer höhere Energien. Je höher die Energie, desto feiner durchdringt und diskriminiert eine Teilchensonde. Diese erhöhte Präzision ermöglicht es Wissenschaftlern, kleinste Strukturen zu untersuchen.
Immer schnellere Beschleuniger bieten viele Vorteile. Um nur einige zu nennen: Zerstörung von Krebszellen; Aufdecken der Struktur von Proteinen und Viren; Entwicklung von Impfstoffen und neuen Medikamenten; und unser Wissen über die Ursprünge unseres Universums zu erweitern.
Beim PIP-II-Linearbeschleuniger wird jedes supraleitende Kryomodulgefäß in seinem Kern eine Kette von Geräten enthalten, die „Hohlräume“ genannt werden. Diese Hohlräume sehen aus wie übergroße, aneinander gestapelte Getränkedosen. Sie bestehen aus reinem Niob, einem supraleitenden Material. Strom fließt ohne Energieverlust durch das supraleitende Material, wenn das Niob deutlich unter der Durchschnittstemperatur des Weltraums gehalten wird.
Beachten Sie den Ausschnitt „cryo“ im Wort „cryomodule“, was „Kälte einbeziehen oder erzeugen“ bedeutet. Besonders extreme Kälte. Um den supraleitenden Zustand zu erreichen, müssen die Hohlräume auf extrem kalten Temperaturen gehalten werden, die um den absoluten Nullpunkt herum schweben.
Um die Kühlung zu gewährleisten, füllt das Team das Innere des Gefäßes mit flüssigem Helium. Um die Hohlräume vor zu warmen Außentemperaturen zu schützen, verfügt das Schiff über viele Isolationsschichten.
Sobald der Prototyp ordnungsgemäß funktioniert, werden vier der Module zusammengebaut, um den letzten Abschnitt des neuen Linearbeschleunigers von Fermilab zu bilden.
So wird die Reise ablaufen. Die supraleitenden Kryomodule werden Strahlen von Wasserstoffanionen antreiben, bei denen es sich um Wasserstoffatome handelt, die aus einem Proton und zwei Elektronen bestehen, statt wie üblich aus einem Proton und einem Elektron.
Die Strahlen werden eine Endenergie von 800 Millionen Elektronenvolt (MeV) erreichen, bevor sie den Beschleuniger verlassen.
Von dort wird der Strahl zu den verbesserten Booster- und Hauptinjektor-Beschleunigern übertragen. Dort wird es mehr Energie gewinnen, bevor es in Neutrinos umgewandelt wird.
Die Maschine wird diese Neutrinos dann auf eine 1.300 Kilometer lange Reise (800 Meilen) durch die Erde schicken Tief unterirdisches Neutrino-Experiment (DUNE) an der Long Baseline Neutrino Facility in Lead, South Dakota.
Das Team stellt nun sicher, dass sich alle Vorbereitungen gelohnt haben, während die Module in der Cryomodule Test Facility von Fermilab getestet werden. Dadurch wird ersichtlich, wie gut die Module danach funktionieren Übungssendungen zwischen Fermilab und dem Vereinigten Königreich.
Die endgültigen Module werden von PIP-II-Partnern auf der ganzen Welt gebaut. Drei werden im Daresbury Laboratory zusammenkommen, das vom Science and Technology Facilities Council of United Kingdom Research and Innovation betrieben wird, und an Fermilab verschifft.
Der vierte wird im Fermilab unter Verwendung von Komponenten zusammengebaut, die vom Raja Rammana Center for Advanced Technology des indischen Ministeriums für Atomenergie bereitgestellt werden.
Internationale Partner aus Indien, Italien, Frankreich, Polen und dem Vereinigten Königreich tragen zu vielen Aspekten des PIP-II-Projekts bei.
All diese Arbeiten werden im Rahmen des PIP-II-Projekts durchgeführt, einer wesentlichen Erweiterung des Fermilab-Beschleunigerkomplexes. PIP-II wird DUNE-Wissenschaftlern Neutrinos zur Untersuchung bereitstellen.
Parallel dazu werden die leistungsstarken Protonenstrahlen des PIP-II-Beschleunigers myonenbasierte Experimente ermöglichen, mit beispielloser Präzision nach neuen Teilchen und Kräften zu suchen. Das vielfältige Physikprogramm wird in den kommenden Jahrzehnten zu neuen Entdeckungen führen.