_ Colaborarea DUNE testează o nouă tehnologie pentru al doilea modul detector

În ultimele luni, unitatea de cercetare a neutrinilor de la laboratorul european CERN a fost plină de activitate. Oameni de știință, ingineri și tehnicieni din întreaga lume s-au adunat acolo pentru a asambla un prototip mare al unui nou detector de particule pentru a studia neutrino, unul dintre cele mai misterioase tipuri de particule din univers.

Neutrinii sunt peste tot, dar rareori interacționează cu materia. În fiecare secundă, trilioane de aceste particule traversează corpurile noastre și pleacă fără urmă. Studiind aceste particule asemănătoare fantome, fizicienii speră să răspundă la întrebări, cum ar fi: De ce este universul făcut din materie? Care este relația dintre cele patru forțe ale naturii? Cum se formează găurile negre în urma unei stele care explodează?

Cercetătorii care lucrează la Experimentul internațional Deep Underground Neutrino, găzduit de Laboratorul Național Accelerator Fermi al Departamentului Energiei din SUA, speră să rezolve aceste mistere. Munca lor la prototipul detectorului de la CERN îi aduce cu un pas mai aproape de atingerea acestui obiectiv.

Infrastructura necesară pentru DUNE este extinsă. Include un nou accelerator de particule la Fermilab, care va produce un fascicul de neutrini care va trece prin 1.300 de kilometri de pământ înainte de a ajunge la Sanford Underground Research Facility din Dakota de Sud. La SURF, aceste particule vor fi întâmpinate de detectorul de departe DUNE, un detector subteran gigantic găzduit la 1,5 kilometri sub suprafață. Detectorul va cuprinde module uriașe de detectoare care conțin argon, un element a cărui natură extrem de stabilă îl face perfect pentru studiul neutrinilor. Excavarea cavernelor subterane pentru detectorul de departe DUNE este finalizată cu aproximativ 60%.

Membrii colaborării DUNE, care include oameni de știință și ingineri din peste 35 de țări, sunt ocupați cu proiectarea, testarea și construirea componente ale primelor două module detectoare DUNE care urmează să fie instalate la SURF. Modulul unu va fi un detector de deriva orizontală, care se bazează pe o tehnică încercată și testată care va fi extinsă pentru DUNE. Producția în masă a componentelor pentru acest prim modul a început deja. Al doilea modul, cunoscut sub numele de detector de deriva verticală, va include o nouă tehnologie. Testarea a fost în curs de desfășurare în ultimii doi ani.

„Ma aștept la o fizică interesantă atât de la detectorii de derivă orizontală, cât și de la cel vertical”, a declarat Steve Kettell, coordonatorul tehnic pentru detectorul de deriva verticală, cu sediul la DOE. Laboratorul Național Brookhaven. „Dar tehnologia de deriva verticală deschide oportunități semnificative pentru construirea de detectoare suplimentare cu costuri mai mici și mai ușor de instalat.”

La un nivel de bază, detectorii de derivă orizontală și verticală funcționează în același mod. Când un neutrin interacționează cu un atom de argon din interiorul camerei umplute cu argon lichid a detectorului, particulele produse în această interacțiune eliberează electroni. Un câmp electric puternic între părțile opuse ale camerei detectorului împinge acești electroni liberi către un anod, o structură mare care detectează sosirea particulelor încărcate. Într-un detector de deriva orizontală, câmpul electric există între doi pereți opuși, iar electronii se deplasează pe orizontală; într-un detector de derivă verticală, câmpul electric circulă între partea de jos și de sus a detectorului, iar electronii se deplasează pe verticală. Interacțiunea argon-neutrin produce, de asemenea, un scurt fulger de lumină pe care ambii detectori îl captează cu un sistem separat de detectare a fotonilor.

„În principiu, nu este nimic diferit între deriva verticală și deriva orizontală”, a explicat Kettell. „Detectăm evenimentele de neutrini în esență în același mod.”

Diferentele sunt în detalii. Anodul detectorului de deriva orizontală este format din planuri mari de fire înfăşurate strâns, cunoscute sub denumirea de ansambluri de plan anodic sau APA. Au 6 metri înălțime și 2,3 metri lățime. Anodul detectorului de deriva verticală, pe de altă parte, va fi compus din planuri de citire a sarcinii sau CRP-uri. Sunt plăci de circuite mari, perforate, imprimate, care au o dimensiune de 3 metri pe 3,5 metri și au benzi de cupru imprimate pe suprafețele lor. La fel ca firele din APA, benzile de cupru din CRP vor colecta electronii în derivă.

Detectorul de derivă verticală DUNE va prezenta CRP-uri multistrat în partea de sus și de jos. „CRP-urile au perforate găuri de 2,5 milimetri, astfel încât sarcina electrică să poată trece și să meargă într-un alt strat pentru a fi colectată”, a declarat Dominique Duchesneau, liderul consorțiului CRP și fizician la Centrul Național de Cercetare Științifică din Franța. Fiecare strat de CRP are benzi de cupru orientate diferit, a adăugat el, ceea ce „vă oferă posibilitatea de a avea mai multe vederi ale electronilor.”

Un avantaj cheie al CRP-urilor este că, deoarece sunt realizate din simplu placat cu metal. plăci de circuite, mai degrabă decât o bobină strânsă de fire, sunt mai ieftine și mai ușor de fabricat și instalat decât APA.

„Cu detectorul de deriva verticală, încercăm să demonstrăm că putem construi un detector mai puțin costisitor. care funcționează la fel de bine”, a spus Kettell.

Deoarece tehnologia detectorului de deriva verticală necesită mai puține elemente decât deriva orizontală, oferă un volum activ mai mare. Un volum activ mai mare înseamnă că va exista mai mult spațiu în care vor putea fi colectate interacțiunile particulelor, a spus Inés Gil-Botella, coordonator de fizică DUNE cu sediul la Centrul de Cercetare Energetică, de Mediu și Tehnologic din Spania. „Măriți la maximum posibilitatea de a vedea interacțiuni cu neutrini în acest argon lichid.”

O altă inovație este sistemul de detectare a fotonilor pe care oamenii de știință de la DUNE intenționează să îl construiască pentru detectorul de deriva verticală, o actualizare a tehnologiei ARAPUCA dezvoltată pentru primul modul detector de departe DUNE. Acest nou sistem va acoperi toți cei patru pereți ai criostatului, precum și catodul cu module de detectare a fotonilor. (În contrast, în detectorul de deriva orizontală, detectorii de fotoni sunt încorporați doar în planurile APA, în spatele firelor.) Pentru a alimenta și a citi senzorii foto de pe catodul de înaltă tensiune, care este setat la 300 kilovolți, verticalul Echipa de drift folosește un laser puternic care furnizează energie prin fibre optice.

În plus, argonul din detectorul de deriva verticală va fi dopat cu xenon pentru a crește numărul de fotoni care sunt detectați atunci când particulele interacționează cu atomii din lichidul — și pentru a spori uniformitatea detectării luminii în întreaga cameră. Împreună, aceste caracteristici vor face acest sistem de detectare a fotonilor mai capabil să detecteze evenimentele fizice de energie joasă, cum ar fi cele declanșate de supernove sau evenimente de neutrini solari, a spus Gil-Botella.

Echipa care lucrează pe verticala DUNE. detectorul de deriva vine din întreaga lume. CERN, Franța, Italia, Spania și SUA au contribuții majore, dar membrii provin și din alte câteva țări din Europa, Asia și America Latină. „Au fost progrese extraordinare pe multe fronturi”, a spus Kettell.

Acest grup a fost ocupat. Până în prezent, au testat cu succes CRP-uri la scară mică, de 32 de centimetri pe 32 de centimetri, într-o cameră umplută cu argon lichid de 50 de litri, prevăzută cu un catod, electronică și un sistem de detectare a fotonilor. Acest prototip timpuriu a fost capabil să colecteze date de pe urmele de raze cosmice cu „performanță bună semnal-zgomot”, a spus Kettell. Ei au testat, de asemenea, CRP-uri de dimensiune completă, de 3 metri pe 3,5 metri cu catod, electronică și sistemul de detectare a fotonilor într-o cutie frigorifică mare de la CERN.

Echipa a demonstrat că componentele detectorului de deriva verticală ar putea citi semnale la 300 de kilovolți - tensiunea înaltă care va fi necesară pentru crearea câmpului electric în detectorul DUNE de dimensiune completă. Ei au arătat, de asemenea, că electronii pot deplasa la șase metri - distanța maximă pe care electronii o vor parcurge în modulul de dimensiune finală - și folosesc CRP-urile pentru a primi aceste urme. „Următorul mare reper cu care ne vom confrunta este instalarea tuturor sistemelor împreună la o scară mai mare”, a spus Gil-Botella.

Echipa acum asambla piese într-un prototip de deriva verticală mai mare, numit „modul de deriva verticală-0”, într-un vas criogenic mare la CERN, de dimensiunea unei case mici. Acest prototip va conține două CRP-uri de dimensiune completă atât în ​​partea superioară, cât și în partea inferioară a detectorului, cu catodul instalat în mijloc, precum și un sistem avansat de detectare a fotonilor. Electronii eliberați în jumătatea superioară a detectorului se vor deplasa în sus, spre CRP setat în partea de sus, iar electronii produși în jumătatea inferioară se vor deplasa în direcția în jos, până când ajung la straturile CRP din partea inferioară. Dezvoltarea CRP a fost condusă de Franța, cu construirea CRP-urilor de top în Franța și a CRP-urilor de jos în SUA.

Cercetătorii DUNE își propun să finalizeze instalarea detectorului prototip de deriva verticală în primăvara anului 2023. complet, echipa va umple detectorul cu argon lichid și îl va porni, astfel încât oamenii de știință să poată observa urmele lăsate de fasciculele de particule și razele cosmice care trec prin el.

În cele din urmă, scopul este de a avea componente ale detectorului de deriva verticală gata să fie instalate într-una dintre marile caverne din Dakota de Sud în 2027.

„Ceea ce mi-aș dori cu adevărat să văd este instalarea primelor CRP-uri în marele criostat de la SURF. , care va veni peste câțiva ani”, a spus Duchesneau. „Între timp, cred că rularea modulului 0 și preluarea datelor în configurația reală a deplasării verticale este un pas foarte interesant.”

(Fluierul)