Сотрудники Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми при Министерстве энергетики США создали прототип сверхпроводящего криомодуля для проекта Proton Improvement Plan II (PIP-II). Этот проект является частью усовершенствования ускорительного комплекса Фермилаб, который будет предоставлять нейтрино для изучения учёными международного научного эксперимента DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment). Целью эксперимента является изучение нейтрино, которые играют важную роль в физике частиц и космологии.

Эксперимент DUNE проводится в подземной лаборатории в Лиде (Южная Дакота) на глубине около 1,5 км под землёй. Это позволяет защитить детекторы эксперимента от внешнего излучения и шума, что необходимо для обнаружения нейтрино.

Четыре сверхпроводящих криомодуля, каждый из которых весит 12 474 килограмма, будут отвечать за ускорение ионов водорода до более чем 80% скорости света. Криомодули составят последнюю секцию нового линейного ускорителя, который будет управлять комплексом ускорителей в Фермилаб.

Каждый сверхпроводящий криомодуль будет содержать в своей основе цепочку устройств, называемых «полостями», которые сделаны из чистого ниобия, сверхпроводящего материала. Электричество протекает через сверхпроводящий материал без потерь энергии, когда ниобий поддерживается значительно ниже средней температуры открытого космоса.

Полностью собранный прототип 650-мегагерцового криомодуля. Четыре из них составят последнюю ступень в новом линейном ускорителе Fermilab. Источник: Saravan Chandrasekaran, Fermilab

Чтобы сохранить прохладу, команда заполняет внутреннюю часть сосуда жидким гелием. Инструмент имеет много слоёв изоляции, чтобы защитить полости от внешних температур, которые слишком высокие.

После того, как прототип заработает должным образом, четыре модуля будут собраны для создания последней секции нового линейного ускорителя в Фермилаб. Сверхпроводящие криомодули будут питать пучки анионов водорода, которые представляют собой атомы водорода, состоящие из одного протона и двух электронов, вместо обычных одного протона и одного электрона.

Прежде чем выйти из ускорителя, пучки достигнут конечной энергии в 800 миллионов электронвольт. Оттуда луч перейдёт в модернизированные ускорители Booster и Main Injector. Там он наберёт больше энергии, прежде чем превратиться в нейтрино.

Затем эти нейтрино будут направлены на расстояние 1300 километров к месту проведения эксперимента DUNE.