Ustvarjanje največjih detektorjev nevtrina na svetu

Anonim

Nova era v fiziki nevtrino v Združenih državah je v teku in igra ključno vlogo UW-Madison's Physical Sciences Laboratory (PSL) v Stoughtonu.

Long-Baseline Neutrino Facility, ki je doma na 2 milijardi dolarjev Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), bo sčasoma pošiljal delce 800 kilometrov skozi zemljo iz laboratorija izven Chicaga do detektorja globokih milj v neaktivnem rudniku zlata na črnih hribih Južna Dakota.

Neutrino se malo razumejo, vendar njihova vloga pri razumevanju materije in dinamike vesolja raste, saj znanost še naprej učita več o enigmatičnih delcih skozi konstelacijo novih in eksotičnih detektorjev, vključno z novim DUNE eksperimentom.

Konfliktne slovesnosti za Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) bodo potekale sočasno danes v laboratoriju Sanford v Južni Dakoti in v Fermilabu v Illinoisu.

Objekt bo zagotavljal nevtronski žarek in infrastrukturo, ki bo podpirala detektorje DUNE in izkoristila močan Fermilabov zmogljiv pospeševalec pospeševalcev in globokih podzemnih predelov Sanford Lab v dolgem obstoječem tunelu, izklesanem med rudarskimi dnevi v tridesetih letih prejšnjega stoletja.

Ko bo obrnjena prva lopata, bodo posadke izkopale več kot 800.000 ton skale - približno teže osmih letalskih nosilcev - ustvariti ogromne podzemne kaverne za zbiranje ogromnih detektorjev delcev, da bi bolje razumeli skrivnostni nevtrin. DUNE je zasnoval, zasnoval in bo gradil skupina 1000 znanstvenikov in inženirjev iz več kot 30 držav in 160 institucij, vključno z UW-Madison.

Pravzaprav, ko DUNE deluje že od leta, se bo zanašal na anodne panelne sklopke (APA), zgrajene v laboratoriju Stoughton UW.

Detektorji bodo sestavljeni iz velikih plošč (APA), ki bodo potopljeni v tekoči argon. APA-ji so sestavljeni iz ultralinih žic, ki so okrog kovin. Vsak sklop, izdelan na PSL UW, je sestavljen iz okvirja iz nerjavečega jekla, ki je dolg 20 metrov, plasti bakrene mreže in skoraj 16 milj zelo tanke (premera 150 mikronov) bakrenega berilijskega žice, ki se okoli njega prepletajo v štirih plasti. Žica se nato pritrdi na vezno ploščo za sledenje nevtrinom.

Nadzor PSL-jevega dela na DUNE-u je direktor laboratorija, Bob Paulos. "APA so res srce detektorja, " pravi Paulos.

PSL bo zgradil tri APA-je za prototipni poskus, imenovan ProtoDUNE. UW-Madison sodeluje z več institucijami v Združenem kraljestvu, ki bodo zgradili še tri prototipa APA-jev z uporabo modela PSL. Izdelali so točno kopijo PSL žičnega navijalnega robota skupaj z vsemi ostalimi orodji, potrebnimi za izdelavo naprav.

Zagotavljanje posebne žične napetosti in nagiba je ključnega pomena za uspeh APA-jev.

"Končni načrt je zgraditi štiri detektorske module pod zemljo v Južni Dakoti. Vsak modul bo dve tretjini velikosti nogometnega igrišča in obsega 150 APA-jev, " pravi Paulos. Gradnja na modulih naj bi se začela leta 2020.

PSL se bo pridružil še nekaj drugih laboratorijev za izdelavo celotne zbirke APA-jev, ki so potrebne za celoten detektor DUNE.

"Na tem projektu je veliko mednarodnega sodelovanja, " pravi Paulos. "Prizadevalo si bo po svetovnih prispevkih, da bi se zgodilo DUNE in veseli nas, da ima PSL pomembno vlogo."

Poleg gradnje APA-jev, je laboratorij UW-Madison zasnoval in zgradil podporo detektorjev za projekt. Inženir in tehnik PSL-ja je pri CERN (Evropska organizacija za jedrske raziskave), ki pomaga združiti strojno opremo za ProtoDUNE.

"S tem prelomnim laboratorijem UW-Madison's Physical Sciences Laboratory doseže še en dosežek v svoji že znani zgodovini v globalnih raziskavah neutrino, " pravi Marsha Mailick, podpredsednik UW-Madison za raziskave in podiplomsko izobraževanje. "Laboratorij za fizikalne vede je imel glavno vlogo pri uspehu tako prefinjenih znanstvenih eksperimentov kot Observatorij IceCube Neutrino na južnem polju in Velikega Hadronskega koledarja v CERN v Švici."

"To je bil odličen timski napor na PSL, kjer so ljudje delali dolge ure, da bi lahko dosegli zelo kratke roke, da bi projekt nadaljevali, " pravi Paulos. "Skoraj vsakdo, ki dela v PSL, je imel v tem projektu roko v roki, z osrednjo skupino približno ducat ljudi, ki delajo predvsem na projektu za eno leto."

Zakaj laboratorij za fizikalne vede UW-Madison?

"PSL ima dolgo zgodovino dela v fiziki visoke energije, " pojasnjuje Paulos. "To, skupaj z dejstvom, da imamo pravo mešanico inženiringa, oblikovanja in izdelave strokovnega znanja, kot tudi najsodobnejše stroje in elektronsko trgovino, ki je dovolj velika za izdelavo APA-jev na čistem območju montaže, položajih da bi lahko naredili takšno delo. "

PSL je do zdaj opravil približno 10 milijonov dolarjev za delo na projektu DUNE.

Prvi APA je bil dostavljen iz PSL 7. julija in prispel v CERN 12. julija. Panel je del detektorja ProtoDUNE, prototipa za masivni daljinski detektor, ki bo sčasoma postal pod zemljo v Južni Dakoti. Daljši detektor je časovni projekcijski zbor (TPC), tip detektorja delcev, ki uporablja močno elektronsko polje skupaj z občutljivo prostornino plina ali tekočine za izvedbo tridimenzionalne rekonstrukcije poteze delcev ali interakcije. V primeru DUNE se bo TPC namestil v kriostat, napolnjen z argonom.

Sčasoma bo DUNE sestavljen iz dveh detektorjev delcev, ki so nameščeni v najintenzivnejši svetovni nevtronski žarek. En detektor bo beležil interakcije delcev blizu izvora nosilca, pri Fermilabu, medtem ko bo drugi, napolnjen s 70.000 tonami tekočega argona in ohlajen na -300 stopinj Celzija, posneli interakcije globoko pod zemljo v laboratoriju Sanford.

Ker nevtrinos komunicirajo s hladno tekočino, ustvarjajo prhanje drugih delcev in svetlobe. Te sledi delcev nato prevzame APA elektronika in se prenašajo kot podatki na površino.

Nevtrinji so najobsežnejši delci snovi v vesolju, vendar zelo malo je znano o njihovi vlogi v načinu, kako se je vesolje razvilo. DUNE bo znanstvenikom omogočil, da iščejo razlike v obnašanju nevtrinov in njihovih antimaterialov, antineutrinoz, ki bi lahko zagotovili bistvene ugotovitve, zakaj živimo v vesolju, v katerem prevladujejo snovi, z drugimi besedami, zakaj smo vsi tu, namesto našega vesolje, ki je bil takoj po Velikem praski.

DUNE bo gledal tudi na nevtrinje, ki ga proizvajajo supernove, ki jih znanstveniki lahko uporabijo za iskanje tvorbe nevtronskih zvezd ali celo črnih lukenj. Veliki detektorji DUNE bodo znanstvenikom omogočili tudi iskanje predvidenega, a nikoli ne-opaznega subatomskega pojava protonskega razpada, procesa, ki je tesno povezan z razvojem enotne teorije energije in snovi.

menu
menu