Oprettelse af de største neutrinodetektorer i verden

En ny æra inden for neutrino -fysik i USA er i gang, og UW – Madisons Physical Sciences Laboratory (PSL) i Stoughton spiller en nøglerolle.

Long-Baseline Neutrino Facility, hjemsted for $ 2 milliarder Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), vil til sidst sende partikler 800 miles gennem jorden fra et laboratorium uden for Chicago til en kilometer-dyb detektor i en inaktiv guldmine i Black Hills i South Dakota.

Neutrinoer er lidt forstået, men deres rolle med at forstå stof og universets dynamik vokser, efterhånden som videnskaben fortsætter med at lære mere om de gådefulde partikler gennem en konstellation af nye og eksotiske detektorer, herunder det nye DUNE -eksperiment.

Banebrydende ceremonier for Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) afholdes samtidigt i dag på Sanford Lab i South Dakota og på Fermilab i Illinois.

Anlægget vil levere neutrino -strålen og den infrastruktur, der understøtter DUNE -detektorer, udnytter Fermilabs kraftfulde partikelacceleratorkompleks og Sanford Labs dybe underjordiske områder inden for en lang, eksisterende tunnel udskåret under guldminedagene i 1930'erne.

Når den første skovl af jorden er vendt, besætninger vil udgrave mere end 800, 000 tons sten - omtrent vægten af ​​otte hangarskibe - for at skabe enorme underjordiske huler til samling af enorme partikeldetektorer, alt for bedre at forstå den mystiske neutrino. DUNE blev undfanget, designet og vil blive bygget af et team på 1, 000 forskere og ingeniører fra mere end 30 lande og 160 institutioner, herunder UW – Madison.

Faktisk, når DUNE er operationelle år fra nu, det vil stole på anodepanelsamlinger (APA'er) bygget på Stoughton UW -laboratoriet.

Detektorerne består af store paneler (APA'erne), der nedsænkes i flydende argon. APA'erne består af ultratynde tråde, der er viklet omkring metal. Hver samling oprettet på UW's PSL består af en ramme i rustfrit stål, der er 20 fod lang, et lag kobbernet, og næsten 15 miles meget tynd (150 mikron diameter) kobberberylliumtråd viklet rundt om det i fire lag. Tråden er derefter fastgjort til et printkort for at spore neutrinoer.

Overvågning af PSL's arbejde på DUNE er laboratoriets direktør, Bob Paulos. "APA'erne er virkelig hjertet i detektoren, "Siger Paulos.

PSL vil bygge tre APA'er til et prototypeeksperiment kaldet ProtoDUNE. UW – Madison samarbejder med flere institutioner i Det Forenede Kongerige, som vil bygge yderligere tre prototype APA'er ved hjælp af PSL's design. De har bygget en nøjagtig kopi af PSL-trådviklingsrobotten sammen med alt det andet værktøj, der er nødvendigt for at bygge enhederne.

At sikre specifik trådspænding og stigning er afgørende for APA'ernes succes.

"Den ultimative plan er at bygge fire detektormoduler under jorden i South Dakota. Hvert modul vil være to tredjedele på størrelse med en fodboldbane og omfatte 150 APA'er, "Siger Paulos. Konstruktionen af ​​modulerne forventes at begynde i 2020.

PSL vil slutte sig til et par andre laboratorier for at bygge den fulde pakke APA'er, der er nødvendige for DUNE-detektoren i fuld skala.

"Der er meget internationalt samarbejde om dette projekt, "Paulos siger." Det kommer til at tage verdensomspændende bidrag for at få DUNE til at ske, og vi er glade for, at PSL spiller en vigtig rolle. "

Ud over at bygge APA'er, UW – Madison lab har designet og bygget detektorstrukturunderstøttelse til projektet. En PSL -ingeniør og tekniker er hos CERN (European Organization for Nuclear Research) og hjælper med at sammensætte hardwaren til ProtoDUNE.

"Med denne banebrydende, UW – Madisons fysiske videnskabslaboratorium når endnu en præstation i sin allerede berømte historie inden for global neutrino -forskning, "siger Marsha Mailick, UW – Madison vicekansler for forskning og kandidatuddannelse. "Physical Sciences Laboratory har spillet en integreret rolle i succesen med så sofistikerede videnskabelige eksperimenter som IceCube Neutrino Observatory på Sydpolen og Large Hadron Collider på CERN i Schweiz."

"Dette har været en stor teamindsats hos PSL med folk, der arbejder lange timer for at overholde meget stramme deadlines for at holde projektet på rette spor, "siger Paulos." Næsten alle, der arbejder på PSL, har på et eller andet tidspunkt haft en hånd med i dette projekt, med en kernegruppe på omkring en snes mennesker, der primært arbejder på projektet i et år. "

Hvorfor UW – Madison Physical Sciences Laboratory?

"PSL har en lang historie med at arbejde inden for højenergifysik, "forklarer Paulos." Det, sammen med det faktum, at vi har den rigtige blanding af teknik, design og fremstilling ekspertise, samt topmoderne maskiner og en elektronikbutik, der er stor nok til at bygge APA'erne i et rent samlingsområde, stiller os til at være i stand til at udføre denne form for arbejde. "

PSL har til dato afsluttet omkring $ 10 millioner i arbejde med DUNE -projektet.

Den første APA blev sendt fra PSL den 7. juli og ankom til CERN den 12. juli. Panelet er en del af ProtoDUNE -detektoren, en prototype til den massive Far Detector, der til sidst vil blive anbragt under jorden i South Dakota. Fjerndetektoren er et tidsprojektionskammer (TPC), en type partikeldetektor, der bruger et stærkt elektronisk felt sammen med et følsomt volumen af ​​gas eller væske til at udføre en tredimensionel rekonstruktion af en partikelbane eller interaktion. I tilfælde af DUNE, TPC'en vil blive placeret i en kryostat fyldt med argon.

Til sidst, DUNE består af to partikeldetektorer placeret i verdens mest intense neutrino -stråle. En detektor registrerer partikelinteraktioner nær strålekilden, på Fermilab, mens den anden, fyldt med 70, 000 tons flydende argon og afkølet til –300 grader Fahrenheit, vil tage øjebliksbilleder af interaktioner dybt under jorden på Sanford Lab.

Da neutrinoer interagerer med den kolde væske, de skaber en byge af andre partikler og lys. Disse partikelspor bliver derefter optaget af APA -elektronik og transmitteret som data til overfladen.

Neutrinoer er de mest udbredte partikler af stof i universet, alligevel er meget lidt kendt om deres rolle i den måde, universet udviklede sig på. DUNE vil gøre det muligt for forskere at lede efter forskelle i neutrinoers adfærd og deres antimateriale modparter, antineutrinos, som kunne give vigtige spor om, hvorfor vi lever i et materiedomineret univers-med andre ord, hvorfor vi alle er her, i stedet for at vores univers var blevet tilintetgjort lige efter Big Bang.

DUNE vil også se efter neutrinoer produceret af supernovaer, som forskere kan bruge til at lede efter dannelsen af ​​neutronstjerner eller endda sorte huller. De store DUNE-detektorer giver også forskere mulighed for at kigge efter det forudsagte, men aldrig observerede subatomære fænomen af ​​protonforfald, en proces, der er tæt knyttet til udviklingen af ​​en samlet teori om energi og stof.