Partikeldetektor hos Fermilab spiller en afgørende rolle i Deep Underground Neutrino Experiment

For et århundrede siden, fysikere vidste ikke om eksistensen af ​​neutrinoer, den mest rigelige, undvigende og æteriske subatomære partikler af stof i universet.

Selvom de er rigelige, hver enkelt neutrino er næsten masseløs. Alligevel, "de former mange aspekter af universet, som vi kender det, " sagde Hirohisa Tanaka, en professor i partikelfysik og astrofysik ved Stanford University og SLAC National Accelerator Laboratory.

Det er derfor, Tanaka og mere end 1, 000 andre forskere fra over 30 nationer er engageret i Deep Underground Neutrino Experiment, eller KLIT, vært af Department of Energy's Fermi National Accelerator Laboratory.

"Milliarder af neutrinoer kan krydse gennem dig, uden du nogensinde er klar over det, så de er meget svære at få fat i og at studere, sagde Alfons Weber, en fysikprofessor ved University of Oxford.

Neutrinoer findes i tre typer, der går fra den ene til den anden:elektron, muon og tau, og hver har en antimaterie fætter. DUNE vil bruge to partikeldetektorer adskilt af 800 miles (1, 300 kilometer) for at måle, hvordan neutrinoerne formerer sig, eller svinge, når de rejser gennem rummet, sag og tid. DUNE-nærdetektoren, placeret ved Fermilab uden for Chicago, vil måle neutrinoerne, og hvordan de interagerer, før de svinger. DUNE langt detektoren, skal være placeret på Sanford Underground Research Facility i South Dakota, vil observere dem efter oscillation.

Projektet er ambitiøst i dets internationale omfang og videnskabelige mål. Det kunne give ny indsigt i den ubalancerede blanding af stof og antistof, det fænomen, der muliggjorde dannelsen af ​​stof i universet. En så vigtig opdagelse vil kræve, at begge detektorer arbejder sammen.

"På grund af oscillation, Metoden er at måle neutrinostrålen ved det nære sted og derefter det fjerne sted og sammenligne de to adfærd, " sagde Luca Stanco fra Italiens Nationale Institut for Nuklear Fysik, ofte omtalt med dets italienske akronym, INFN. "Det er fundamentalt at have kontrol over alle neutrinostrålens egenskaber i nærdetektoren, hvor strålen kommer fra."

Hirohisa Tanaka, Alfons Weber, Luca Stanco, universitetet i Berns Michele Weber, og Fermilabs Alan Bross og Jennifer Raaf spiller nøgleroller i udviklingen af ​​de neutrino-snaggende komponenter i DUNE nærdetektoren.

Tre underdetektorsystemer

Bygger på erfaringer fra tidligere eksperimenter, detektordesignet er blevet mere sofistikeret. DUNE-nærdetektoren, skal installeres omkring 600 meter fra hvor neutrinoerne produceres i Fermilabs acceleratorer, vil bestå af tre underdetektorer, der vil sidde side om side.

En af underdetektorerne, kendt som SAND, med sine 15, 000 kilometer (9, 320 miles) scintillatorfibre og dets 5, 000 fotomultiplikatorer, vil opdage neutrinoer med et elektronisk kalorimeter, som måler partikelenergi, og en tracker, som registrerer partikelmomenta og ladning. En anden underdetektor, baseret på ArgonCube-teknologien udviklet ved universitetet i Bern i Schweiz, vil bruge flydende argon til at efterligne neutrino-interaktionerne i den fjerne detektor, og den tredje vil bruge gasformig argon. Arbejde sammen, de vil måle partikler med mere præcision end andre neutrino-detektorer er i stand til at opnå.

"Det er et meget kompliceret system, " sagde Stanco, der leder gruppen, der arbejder med SAND.

SAND vil sidde direkte i vejen for neutrinostrålen for at måle dens stabilitet og sammensætning. De to argon-baserede detektorer, i mellemtiden, vil være flytbar, kan sidde enten direkte i bjælkens bane eller vinkles til den ene side. De forskellige betragtningsvinkler vil give disse detektorer mulighed for at måle, hvordan neutrino-interaktioner ændrer sig, efterhånden som partiklernes energier ændres.

Flydende-argon-underdetektoren vil fungere på samme måde som DUNEs meget større fjerndetektor:Når neutrinoer interagerer med det flydende argon, interaktionen vil skabe ladede partikler, der vil blive detekteret af elektronikkomponenter, der forstærker, digitalisere og derefter sende signaler til en computer, hvor informationen i signalerne kan rekonstrueres.

Flere tidligere generationer af neutrino-eksperimenter har ført til en udvikling i neutrino-detektordesign. Da detektorerne til de tidligere eksperimenter blev designet, "Vi havde ingen idé om, hvor dårligt vi forstod, hvordan neutrinoer interagerer og alle de forskellige effekter, som vi skal studere for at foretage en robust måling, sagde Alfons Weber.

Flydende-argon-detektorer har brug for mange kilotons masser for at øge deres chancer for at observere neutrino-interaktioner.

"Vi taler altid om, at neutrinoer er undvigende og svære at opdage, " sagde Tanaka, hvis SLAC-team vil levere nøglekomponenter til flydende-argon-underdetektoren. "Du ser kun få af dem og kun meget sjældent."

Det modsatte vil gælde for nærdetektoren. der, "den neutrinostråle, vi producerer, er så intens, at vi i flydende-argon-underdetektoren vil se noget i retning af 50 interaktioner inden for milliontedele af et sekund, " han sagde.

Udfordringen derved er at identificere individuelle neutrinoer, deres energier og deres typer i en hastighed, der matcher den strøm af neutrinoer, som nærdetektoren vil se.

For at fange sådanne data, flydende-argon-underdetektoren vil bestå af et array af 35 næsten uafhængigt fungerende mindre moduler. Hvert modul i arrayet vil have en masse på omkring tre tons. Når højspænding påføres det flydende argonvolumen, de ellers passive elektroner i argon-atomerne bliver frigjort og begynder at bevæge sig mod en række detektionselementer.

Flydende argon - afkølet til den tilstand fra sin gasform - er så tæt, at de laveste energipartikler undslipper dets påvisning. For at fange de undslupne partikler, argongas-underdetektoren sidder ved siden af ​​sin flydende argon-modstykke. Langt færre neutrino-interaktioner vil ske i argongassen på grund af dens lavere tæthed.

"Du kan måle andre ting i argon-gas-underdetektoren, som du ikke kan måle i væske-argon-underdetektoren, " sagde Weber. Dette inkluderer måling af virkningerne af neutrino-interaktioner på argonkerner, en proces, der skaber usikkerhed i neutrinoscillationsmålinger.

Søg efter nye partikler

De tre underdetektorer, der arbejder i kombination, vil gøre det muligt for fysikere at lede efter fænomener, der går ud over grænserne for kendte fysiske love. Da Fermilabs Main Injector-partikelaccelerator genererer neutrinoer, der passerer gennem DUNE-nærdetektoren, "andre partikler kan også blive produceret, partikler, som vi ikke ved noget om endnu, " sagde Weber. "Andre partikler kan også blive produceret, partikler, som vi ikke ved noget om endnu."

Tunge neutrinoer og mørke fotoner falder ind under denne kategori. Eksistensen af ​​tunge neutrinoer kunne forklare det forvirrende faktum, at de kendte neutrinoer har en lille masse, og deres opdagelse kunne hjælpe med at forklare karakteren af ​​mørkt stof. Mørke fotoner ville være de usynlige fætre til almindelige fotoner, som er elektromagnetiske partikler. Detekteringen af ​​mørke fotoner – hvis de eksisterer – kunne belyse den ekspansive, men i øjeblikket usynlige mørke sektordel af universet.

Og så er der det uventede.

"Jeg tror, ​​og jeg håber, vi får en overraskelse i fysikresultatet, " sagde Stanco.