آزمایش مواد جدید برای هدف‌های نوترینویی که تحمل بمباران پروتونی دارند
محققان در آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده فرمی وابسته به وزارت انرژی ایالات متحده در تلاشند تا چالش بزرگ ساخت هدف‌هایی برای آشکارسازهای ذرات را حل کنند که بتوانند شرایط سخت تولید شده در آزمایش‌های نوترینو را تحمل کنند.
این آزمایش‌ها بر برخورد کنترل شده پروتون‌های پرانرژی با هدف‌های ویژه برای تولید نوترینوها تکیه دارند.
اما هدف‌ها که تحت تابش شدید پرتوهای پروتونی قرار دارند، تجربه گرم شدن سریع، موج‌های فشاری و واکنش‌های هسته‌ای را دارند و می‌توانند به سرعت ساختار خود را از دست بدهند.
“اگر هدف نتواند تعامل شدید با پرتوی پروتونی را تحمل کند، آزمایش متوقف می‌شود و نمی‌تواند داده جمع کند،” گفت پاتریک هوره، یک مهندس در فرمی‌لب.
تولید نوترینو در فرمی‌لب
نوترینوها ذرات زیراتمی با خواص منحصر به فرد هستند که آنها را برای مطالعه طیف گسترده‌ای از پدیده‌ها، از جمله تکامل جهان و خواص رویدادهای کیهانی پرانرژی، ایده‌آل می‌سازد.
با این حال، طبیعت گریزان آنها نیازمند استفاده از شتاب‌دهنده‌های قدرتمند ذرات و سیستم‌های آشکارساز پیشرفته است.
در فرمی‌لب، پروتون‌ها با سرعتی نزدیک به سرعت نور شتاب داده می‌شوند و به سمت هدف‌ها هدایت می‌شوند، که معمولاً از گرافیت ساخته شده‌اند.
“در مورد تولید یک پرتوی نوترینویی، ما از یک هدف گرافیتی، که کربن است، استفاده می‌کنیم،” توضیح داد هوره.
این تعامل مجموعه‌ای از ذرات ثانویه، شامل پیون‌ها، تولید می‌کند که به نوبه خود به نوترینوها تجزیه می‌شوند. سپس این نوترینوها یک پرتوی را تشکیل می‌دهند که به آشکارسازهای دوردست برای تحلیل ارسال می‌شود.
“برخی از این ذرات ثانویه تولید شده از برخوردها پیون‌های بار الکتریکی هستند،” افزود محققان در یک بیانیه مطبوعاتی.
“زیرا این پیون‌ها بار الکتریکی دارند، محققان می‌توانند مسیر حرکت آنها را با میدان‌های مغناطیسی هدایت کنند.”
تأثیرات شدید بر هدف‌ها
فرایند تولید نوترینوها فشار زیادی بر هدف‌ها وارد می‌کند. تأثیر پرتوی پروتون باعث گرم شدن سریع، با افزایش دما به صدها درجه در میکروثانیه‌ها می‌شود.
این افزایش سریع دما باعث انبساط حرارتی و ایجاد موج‌های فشاری شدید در مواد هدف می‌شود.
علاوه بر این، برخوردهای پروتونی واکنش‌های هسته‌ای را القا کرده، منجر به تولید گاز هلیوم و هیدروژن در هدف می‌شود.
این گازها می‌توانند تجمع پیدا کنند و حباب‌هایی تشکیل دهند که مواد را ضعیف کرده و یکپارچگی ساختاری آن را به خطر بیندازند.
با گذشت زمان، اثرات تجمعی این فرایندها می‌تواند به خرابی هدف‌ها منجر شود. و اگر هدف خراب شود، آزمایش ممکن است متوقف شود.
فرمی‌لب در حال توسعه هدف‌های مقاوم است
تیم فرمی‌لب به طور فعال در حال توسعه مواد و تکنیک‌های جدید برای افزایش مقاومت هدف‌ها است.
“محققان باید بر سه چالش غلبه کنند تا یک هدف پایدار بسازند: آسیب تشعشعی، دماهای بالا و فشار ناشی از انبساط حرارتی،” اظهار داشت بیانیه مطبوعاتی.
نانوفیبرها، نخ‌هایی فوق‌العاده نازک با استحکام و انعطاف‌پذیری استثنایی، برای توانایی‌شان در جذب ضربه پرتوی پروتون بهتر، مورد بررسی قرار گرفته‌اند.
“یک نانوفیبر توسط مهندس فرمی‌لب، سوجیت بیدهار، به عنوان یک ماده هدف بالقوه به دلیل توانایی‌اش در کاهش ضربه حرارتی و مقاومت بیشتر در برابر آسیب تشعشعی در حال تحقیق است،” برجسته‌سازی شد در بیانیه مطبوعاتی.
آلیاژهای با انتروپی بالا، یک نسل جدید از مواد با مقاومت فوق‌العاده در برابر حرارت و تشعشع، برای اجزای حیاتی در سیستم هدف نیز آزمایش می‌شوند.
“در فرمی‌لب، ما اثرات آسیب تشعشعی و مقاومت در برابر شوک‌های حرارتی در گرافیت، بریلیوم، آلیاژهای تیتانیوم و مواد نوین را مطالعه می‌کنیم،” تأکید کرد فدریکا پلوماین، یک دانشمند در آزمایشگاه.
مرز جدید در آزمایش‌های نوترینویی
یکی از بلندپروازانه‌ترین آزمایش‌های نوترینویی در افق، تسهیلات نوترینویی طول‌پایه (LBNF) و آزمایش نوترینویی عمیق زیرزمینی (DUNE) است.
این پروژه پرتوئی از نوترینوها را از پردیس ایلینوی فرمی‌لب به آشکارسازهایی که در یک مایل زیر زمین در داکوتای جنوبی قرار دارند، ارسال خواهد کرد.
از آنجا که هدف LBNF/DUNE هر ثانیه تحت پالس‌های پروتونی شدید قرار می‌گیرد، دوام آن یک عامل حیاتی است.
“تقریباً هر ثانیه، یک پالس پر شدت پروتون‌ها به هدف برای آزمایش LBNF/DUNE برخورد خواهد کرد و میلیاردها نوترینو تولید خواهد شد،” نتیجه‌گیری کرد کریس دنشم، رهبر گروه هدف‌های با قدرت بالا در آزمایشگاه رادرفورد اپلتون در آکسفوردشایر، انگلستان.
