科学家需要什么来制造世界上最强烈的中微子束？只有几块磁铁和一些铅笔芯，但不是你平时的家务事。要产生世界上最强烈的高能中微子光束，需要超大尺寸的部件：大小相当于公园长椅大小的磁铁和像篮球运动员那样高的超纯石墨棒。

推动人类知识范围的物理实验往往在极端情况下起作用：最大和最小的尺度，最高的强度。对于大多数实验室来说，这三者方法都是正确的方向。地壳深埋处的中微子实验汇集了来自30多个国家的多名科研人员来解决那些让许多人在夜间无法入睡的问题：为什么宇宙中充满了物质而不是反物质，或者根本不存在反物质？质子是原子(包括我们自身)的组成部分之一，它曾经衰变过吗？黑洞是如何形成的？等等还有很多很多问题。

为了解决最大的问题，地壳实验室将研究被称为中微子的神秘亚原子粒子：很少与物质相互作用的中性的、细小的幽灵粒子。因为中微子是反常识的，科学家们将建造巨大的粒子探测器来捕捉和研究它们。探测器里面的物质集中意味着中微子相互作用的东西更多，而这些巨大的中微子陷阱将包含70，吨液体氩。在位于地下1.5公里研究设施中，空间将被屏蔽，免受宇宙射线的干扰，尽管中微子通过缓冲区并击中他们的目标不会有任何困难。探测器可以从爆炸的恒星中捕捉到中微子，这些恒星可能演化成黑洞，并能从吸引过来的中微子束中捕获相互作用。

中微子(以及它们的反物质对应体，反中微子)是随着其他粒子的衰变而诞生的，它带走了少量的能量来平衡宇宙的平衡。你会发现它们成群结队地从我们的太阳、地球内部，甚至香蕉中的钾中涌来。但是如果你想每秒钟制造数万亿的高能中微子并把它们送到地下深处的粒子探测器，你就很难把水果扔到地下1.5公里处。

通过一系列的加速器传送粒子，每一个加速器都增加一个爆发性的速度和能量。升级工作已经开始，在粒子旅程开始时将包括一个新的直线加速器:PIP-II，这是在国际上有重大贡献的加速器项目，它将推动粒子以84%的光速飞行，大约两个足球场的长度。粒子然后进入助推器环，再进入另一个助推器，最后进入主喷射器，这是地壳实验室最强大的加速器。

那么，研究人员计划如何将费米实验室的第一束兆瓦级质子束转换成每秒粒子加速器所需的数万亿高能中微子呢?这需要一些额外的基础设施：远距离基线中微子设施(LBNF)。一条较长的基线意味着LBNF将把它的中微子发送到一个很长的距离——公里，从费米实验室到桑福德实验室。中微子设施布置完成后我们如何制造一些中微子？

第一步：获取一些质子

第一步是将粒子从主喷射器中虹吸出来，否则圆形加速器的作用将更像是旋转木马。工程师们需要建造并连接一条新的波束。考虑到周围的各种设施、其他的波束线路和主喷射器磁铁，这可不是件容易的事。

工作人员将把一些主喷射器磁铁安全地移开，然后装到加速器的外壳上。他们将建造一个新的提取区域和束流罩，然后用一个新的费米实验室制造的附加装置重新安装主注入器磁铁:踢球磁铁来改变束流的方向。他们还将用24个偶极子和17个四极子磁铁建造新的LBNF束流线，其中大部分由Bhabha原子研究中心建造。

第二步：目标

中微子是复杂的粒子。因为它们是中性的，它们不能像带电粒子(如质子)那样受磁力控制。一旦中微子诞生，它就会朝着任何方向前进，就像一个孩子在玩世界上最长的滑梯一样。这一特性使中微子成为伟大的宇宙信使，但对地球工程师来说，这意味着一个额外的步骤：瞄准。

当他们建造LBNF的波束线时，工作人员将沿着一座18米高的山的曲线把它悬挂起来。当这些质子下山时，它们将被指向南达科他州的探测器。一旦中微子诞生，它们将继续沿着同一方向运动，不需要隧道。

所有的磁铁都到位了，所有的东西都被密封得严严实实，加速器操作人员将能够引导质子通过新的束线，就像改变轨道上的火车一样。但是，这些粒子将全速冲向目标，而不是进入其他空间。

第三步：砸东西

目标是工程的关键部分。虽然仍在设计中，但它很可能是一根1.5米长的纯石墨棒，类似你用的铅笔芯。

与其他一些设备一起，它将被放置在目标大厅内，一个充满气态氮的密封房间。加速器将启动一个功率超过1兆瓦的质子束流，目前已经有计划将该质子束流升级到2.4兆瓦。几乎所有为LBNF建造的东西都被设计成能承受更高的光束强度。

由于光束功率破纪录，要想操纵密封大厅内的任何东西，可能需要一些被厚墙控制的机器人朋友的帮助。日本高能加速器研究机构KEK的工程师们正在研究LBNF目标大厅密封元件的原型。

高能质子束将进入目标空间，像打保龄球一样撞击石墨，释放出能量并释放出大量新粒子--主要是π介子和Kon介子。

实现这些目标的生活非常艰难，每一次质子脉冲都会导致温度在几微秒内上升几百度。

LBNF的目标将在摄氏度左右运行，石墨在高温下表现良好，但不会太热，因此工程师需要去除多余的热量。需要使用的水会提供大量的冷却，新的设计方案是让气态氦循环，当它离开系统时，它的速度将达到每小时公里，这相当于巡航客机的速度。

第四步：集中碎片

当质子撞击目标并产生介子时，一种叫做聚焦角的装置就开始起作用。介子都是带电的，这些巨大的磁铁将喷雾引导回聚焦的光束。在费米实验室设计和制造的一系列三个喇叭将修正粒子路径，并将它们对准桑福德实验室的探测器。

为了使设计有效，目标--圆柱形管--必须位于第一个喇叭内，悬臂从上游一侧进入位置。它归结为物理学家想要的东西--更长的目标，可以持续更长的时间--和工程师想要的之间的平衡。目标直径只有几厘米，每增加一厘米的长度，它就更有可能在接二连三的质子和地球引力的作用下下坠。

就像操作游戏一样，物理学家不希望目标碰触喇叭的两侧。

为了产生聚焦场，金属喇叭每秒接收一次30万安培的电磁脉冲，比强大的闪电提供更多的电荷。如果你站在它旁边，你会想把你的手指放在你的耳朵里来阻挡噪音。工程师可以从两端支持这个目标，但这将使不可避免的移除和替换变得更加复杂。

第五步：物理发生

π介子和Kon介子聚焦在波束上，离开目标空间，穿过一条米长的充满氦气的隧道。随着它们的衰变，产生了中微子和一些粒子朋友。研究人员也可以通过改变喇叭来聚焦带有相反电荷的粒子，然后这些粒子会衰变为反中微子。隧道尽头的屏蔽吸收了额外的粒子，而中微子或反中微子则不受干扰，径直穿过尘土和岩石，驶向它们的南达科他州目的地。

到观察的时候了

科学家们将在费米实验室用一种精密的粒子探测器检测刚刚产生的中微子束，该探测器被放置在中微子束的路径上。大多数中微子会直接穿过探测器，就像它们对所有物质所做的那样。但一小部分会与近场探测器内的原子发生碰撞，提供有关中微子束组成以及高能中微子与物质相互作用的宝贵信息。

然后是时候向其他中微子挥手告别了。它们以接近光速的速度行进公里，只需要4毫秒，甚至还不到眨眼的时间。但是对于科学家来说，这项工作才刚刚开始。

科学家们将在南达科他州用他们的巨型粒子探测器再次测量中微子。研究人员将收集大量的数据，研究中微子是如何变化的，并试图找出许多中微子难题，包括：这三种中微子中哪一种实际上是最轻的?中微子的行为和反物质一样吗?而最重要的问题是，中微子是否是在宇宙诞生之初，物质战胜反物质的关键吗?

同时使科学家了解了很多关于如何制造中微子、如何有效地操作波束线以及如何替换组件的知识。在下一个阶段设计新的波束线时，可以结合这些经验教训，为实验室提供更有效、更高效、前所未有的波束能量。

这就是如何制造世界上最强大中微子光束的实验过程。