Ny facilitet tester fremtidige neutrinodetektorsystemer med smukke resultater

Det internationale Deep Underground Neutrino Experiment, eller KLIT, vært hos Fermilab, vil være enorm. Faktisk, med mere end 1, 000 samarbejdspartnere fra over 30 lande og fem kontinenter, det er det største internationale videnskabelige projekt, der nogensinde har været vært i USA.

For at forberede sig på denne massive indsats, partikelfysiksamfundet har taget DUNE-teknologier til grundige testkørsler. I løbet af det sidste årti, partikeldetektorerne ICARUS, MicroBooNE og LarIAT hos Fermilab og ProtoDUNE-detektorerne på CERN har alle bidraget på den ene eller anden måde til at samle den dybe baggrundsviden, der er nødvendig for at bygge og drive DUNE, en neutrino detektor, der vil bruge flydende argon og avanceret elektronik til at fange passagen af ​​de berømte undvigende partikler.

I 2019, DUNE-forberedelserne gik ind i en ny fase, da Fermilab etablerede en ny testfacilitet for DUNE-detektorer:Den integrerede kryostat og elektronik bygget til eksperimentelle forskningsmål, eller ICEBERG.

"DUNEs primære mål er at måle og forstå meget særlige egenskaber ved neutrinoen, og ICEBERG er en facilitet, hvor vi kan bekræfte, at de detektorkomponenter, vi designer, når de specifikationer, der er nødvendige for, at DUNE kan få succes, " sagde Rory Fitzpatrick, en kandidatstuderende ved University of Michigan, der arbejder på ICEBERGs fotondetektorer.

De mest udbredte stofpartikler i universet, neutrinoer udgør en værdifuld prøveplads for partikelfysiske teorier. De interagerer næsten ikke med noget, og de svinger mellem tre forskellige tilstande, mens de rejser.

Fysiske eksperimenter som DUNE gør brug af neutrinoers egenskaber til at belyse forskelle mellem stof og antistof, måske forklare, hvorfor universet synes at være domineret af stof. Neutrinoer kan også lære os om protonens levetid og sorte huls formationer undervejs.

Fermilab-acceleratorer vil skyde en underjordisk stråle af neutrinopartikler 800 miles gennem jordskorpen - fra Fermilab i Illinois til Sanford Underground Research Facility i South Dakota. På hvert sted, en detektor vil måle sammensætningen af ​​strålen og analysere, hvordan partiklerne har skiftet form under deres flyvning. Da neutrinoer er så svagt interagerende, Detektorerne skal være massive og ultrafølsomme. De er i bund og grund gigantiske baljer af flydende argon, der bliver bombarderet med de små partikler. Lejlighedsvis, en af ​​neutrinoerne vil interagere med argon og producere ladede partikler og fotoner, som begge detekteres af forskellige sensorer i DUNE. Detektoren i ICEBERG er faktisk en miniatureversion af DUNE-komponenten, der sporer disse partikler.

Der er ingen grund til at sende meget undvigende neutrinoer til partikeldetektorer, mens du blot tester systemets funktionalitet. Når de er stationeret over jorden, Detektorer kan også opfange spor fra kosmiske stråler - skabt når højenergipartikler fra det ydre rum rammer atmosfæren - meget mere konsekvent.

De kosmiske strålesignaturer giver fysikere mulighed for at teste DUNE-elektronikken over jorden med ladningssporings- og foton-detektionssystemer. Plus, fordi de kosmiske stråler er rigelige på Jordens overflade og lettere at opdage end neutrinoer, prototyperne kan være mindre og kræver meget mindre værdifuld argon.

Den flydende argon, der blev brugt til ICEBERG, ville fylde ladet på en pickup truck. KLIT, til sammenligning, kræver nok argon til at fylde 12 swimmingpools i olympisk størrelse. DUNE-forskere tester i øjeblikket den anden af ​​flere kombinationer af ny og gennemprøvet elektronik med ICEBERG.

"Forskerne, ingeniører og teknisk personale arbejder sammen for at finde måder til løbende at forbedre ICEBERG og holde al dens supportinfrastruktur kørende, " sagde Kelly Hardin, en Fermilab-tekniker, der arbejder på alle flydende-argon-detektorer hos Fermilab.

Når denne serie af test slutter, den valgte elektronik og fotonsensorer forventes at blive testet i en af ​​ProtoDUNE-detektorerne, inden de masseproduceres til brug i DUNE.

"Indtil nu, hele ICEBERG-detektoren og den tilhørende infrastruktur fungerer korrekt, " sagde Shekhar Mishra, Fermilab-forsker og ICEBERG-projektleder. "Målingerne kommer meget flot ud. Vi har set smukke spor og opdaget fotoner."

Processen med at betjene og vedligeholde denne og andre prototypedetektorer gør forskerne klar til den store liga:DUNE. Et internationalt projekt af dens størrelse kræver strenge sikkerhedstjek og grundig forberedelse.

"ICEBERG har givet mig en chance for at få mine hænder snavsede og dreje nogle skruer, " sagde Ivan Caro Terrazas, en kandidatstuderende ved Colorado State University, der arbejder på ICEBERGs partikelsporingssystemer. "Det overrasker mig, hvor meget koordinering der kræves for en detektor så lille som ICEBERG, endsige DUNE selv."

På mange måder, ICEBERG er en krystalkugle til DUNE – giver indsigt i dets fremtidige forhindringer og krav.

"Selv ved at køre ICEBERG, en mikro-KLIT, vi lærer meget om, hvad vi skal bruge for at bygge, betjene og administrere denne massive detektor, " sagde Mishra. "ICEBERG er et samarbejde mellem laboratorier og institutioner over hele kloden. Vi er afhængige af vores mangfoldige team til at skubbe igennem udfordringer og nå vores mål."