Forskere samler den endelige detektor af Fermilabs Short-Baseline Neutrino Program

Med et direktiv om at lede efter fysik ud over standardmodellen og studere adfærden af ​​universets mest undvigende partikler, US Department of Energy's Fermi National Accelerator Laboratory's Short-Baseline Neutrino Program har en fuld plade.

Bestående af tre detektorer - Short-Baseline nærdetektoren, MicroBooNE og ICARUS – programmet vil udvide Fermilabs internationalt anerkendte neutrinoforskningsaktiviteter. Ved at studere neutrinoegenskaber med disse detektorer, videnskabsmænd vil lære mere om den rolle, disse små partikler spiller i universet.

På Fermilab campus, de tre detektorer vil sidde forskudt langs en lige linje, hver sonderer en intens neutrinostråle. SBND, under opbygning, vil være tættest på neutrinostrålekilden, kun 110 meter væk fra området, hvor protoner smadrer ind i et mål og skaber en stråle af muon-neutrinoer. MicroBooNE, som begyndte at tage data i 2015, sidder 360 meter fra SBND, og ICARUS, som vil begynde sin fysikkørsel til efteråret, sidder 130 meter ud over MicroBooNE.

Sammen, disse detektorer vil studere neutrinoscillationer i hidtil usete detaljer. I denne proces, en enkelt neutrino kan skifte mellem de tre kendte neutrinotyper, når den rejser gennem rummet. Hvis der er en fjerde type neutrino, eller hvis neutrinoer opfører sig anderledes end den nuværende teori forudsiger, forskere forventer at finde beviser for denne nye fysik i neutrino-oscillationsmønstrene observeret af de tre detektorer.

Når det er afsluttet, SBND's detektor vil blive ophængt i et kammer fyldt med flydende argon. Når en neutrino kommer ind i kammeret og kolliderer med et argonatom, det vil udsende en spray af ladede partikler og lys, som detektoren vil optage. Disse signaler vil give videnskabsmænd information til at rekonstruere et præcist 3D-billede af banerne for alle de partikler, der dukkede op fra en neutrino-argon-kollision.

"Du vil se et billede, der viser dig så mange detaljer, og i så lille skala, " sagde videnskabsmand Anne Schukraft, teknisk koordinator for projektet. "Hvis du sammenligner det med tidligere generationers eksperimenter, det åbner virkelig en ny verden af, hvad du kan lære."

At blive ladet op

I batteridrevne kredsløb, elektroner flyder mellem den negative og den positive terminal. I SBND, de elektroner, der produceres efter neutrinokollisioner, vil følge det elektriske felt, der skabes inde i detektoren:to anodeplaner og et negativt ladet katodeplan. Dette er ikke et lille kredsløb, imidlertid. Hvert fly måler 5 gange 4 meter, og det elektriske felt mellem katoden og hver anode vil være 500 volt pr. centimeter, med katoden, der leder hele 100, 000 volt.

De to anodeplaner, hver lavet af sarte ledninger med en afstand på 3 millimeter fra hinanden, vil dække to modstående sidevægge af den kubeformede detektor. De vil samle elektronerne skabt af partikler, der dukker op fra kollisioner inde i detektoren, mens lyssensorer bag dem vil optage fotonerne, eller lyspartikler.

I midten af ​​detektoren, et opretstående plan dækket med reflekterende folie vil fungere som katode. Monteringsholdet sænkede det tunge katodeplan på plads i detektorens stålramme i slutningen af ​​juli og forventer at installere det første anodefly i begyndelsen af ​​oktober. Indtil installation, hvert af de lysfølsomme lag holdes i et særligt kontrolleret rent område.

Når det er samlet, detektoren vil veje mere end 100 tons og være fyldt med argon holdt ved minus 190 grader Celsius. Hele apparatet vil sidde i en kryostat, lavet af tykt stål og isoleringspaneler, der holder alt koldt. Et kompliceret rørsystem vil cirkulere og filtrere det flydende argon for at holde det rent.

Neutrino videnskabsmænd, samle

Forskellige grupper rundt om i verden - primært baseret i USA, England., Brasilien og Schweiz - byggede detektordelene og sendte dem til Fermilab. Men den lagerlignende bygning, hvor detektorrammen bliver samlet, er ikke detektorens evige hjem.

Når komponenterne er placeret i stålrammen, holdet vil transportere detektoren adskillige miles på tværs af Fermilab-stedet til SBND-bygningen, hvor besætninger konstruerer kryostaten, og hvor detektoren rent faktisk vil indsamle sine data. Schukraft anslår, at SBND vil få sin datadebut i begyndelsen af ​​2023.

"Det gode ved SBND er, at vi bygger det fra bunden, " sagde Mônica Nunes, en postdoc-forsker ved Syracuse University. "Så alt, hvad vi lærer om denne proces, vil være virkelig nyttigt for den næste generation af neutrino-eksperimenter."

SBND vil komplementere MicroBooNE og ICARUS som triosonder for fysik ud over standardmodellen. I særdeleshed, forskere leder efter den sterile neutrino, en type neutrino, der ikke interagerer med den svage kraft. To tidligere eksperimenter, Liquid Scintillator Neutrino Detector på Los Alamos National Lab og MiniBooNE på Fermilab, opdagede anomalier, der antyder eksistensen af ​​disse undvigende partikler. Ved at måle, hvordan neutrinoer oscillerer og skifter typer, SBN-programmet har til formål at bekræfte eller bestride disse anomalier og tilføje flere beviser for eller imod eksistensen af ​​sterile neutrinoer.

"Ideen er at rigge en detektor helt tæt på neutrinoerkilden i håb om at fange denne slags neutrinoer, " sagde Roberto Acciarri, medleder af detektorsamlingen. "Derefter, vi har en fjerndetektor og en i midten, for at se, om vi kan se sterile neutrinoer, når de produceres, og når de oscillerer væk."

SBND-forskere vil også undersøge med høj præcision, hvordan neutrinoer interagerer med de argonatomer, der fylder detektoren. Fordi SBND sidder så tæt på neutrinostrålens oprindelse, det vil registrere mere end en million neutrino-argon-interaktioner om året. Fysikken i disse interaktioner er et vigtigt element i fremtidige neutrino-eksperimenter, der vil anvende flydende-argon-detektorer, såsom Deep Underground Neutrino Experiment.

"Det er fantastisk at se fremskridt på næsten daglig basis, " sagde Schukraft. "Vi venter alle spændt på at se dette eksperiment begynde at tage data."