Opprette de største neutrino detektorer i verden

Anonim

En ny epoke i neutrino fysikk i USA er på vei, og UW-Madisons Physical Sciences Laboratory (PSL) i Stoughton spiller en nøkkelrolle.

Long-Baseline Neutrino Facility, hjem til $ 2 milliarder Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), vil til slutt sende partikler 800 miles gjennom jorden fra et laboratorium utenfor Chicago til en mil dyp detektor i en inaktiv gullgruve i Black Hills of Sør Dakota.

Neutrinos er lite forstått, men deres rolle i forståelse av materie og dynamikken i universet vokser, siden vitenskapen fortsetter å lære mer om de gåtefulle partiklene gjennom en konstellasjon av nye og eksotiske detektorer, inkludert det nye DUNE-eksperimentet.

Banebrytende seremonier for Long Baseline Neutrino Facility (LBNF) vil bli avholdt samtidig i Sanford Lab i South Dakota og Fermilab i Illinois.

Anlegget vil gi neutrino-strålen og infrastrukturen som vil støtte DUNE-detektorene, ved å utnytte Fermilabs kraftige partikkelakseleratorkompleks og Sanford Labs dype underjordiske områder innenfor en lang eksisterende tunnel skåret ut under gullgruvedagene fra 1930-tallet.

Når først jordens første spade er drept, skal mannskapene utgrave mer enn 800 000 tonn bergarter - omtrent vekten av åtte flybærere - for å skape store underjordiske huler for montering av enorme partikkeldetektorer, for bedre å forstå den mystiske nøytrinen. DUNE ble utviklet, designet og bygd av et team på 1000 forskere og ingeniører fra mer enn 30 land og 160 institusjoner, inkludert UW-Madison.

Faktisk, når DUNE er operativ år fra nå, vil den stole på anodepanelaggregater (APAer) bygget på Stoughton UW laboratoriet.

Detektorer vil være bestående av store paneler (APAene) som vil bli nedsenket i flytende argon. APAene består av ultratynne ledninger som er viklet rundt metall. Hver samling opprettet ved UWs PSL består av en rustfritt stålramme som er 20 meter lang, et lag av kobbermaske, og nesten 15 miles av meget tynn (150 mikron diameter) kobberberylliumtråd viklet rundt den i fire lag. Ledningen er så festet til et kretskort for å spore nøytriner.

Overvåker PSLs arbeid med DUNE er labs regissør, Bob Paulos. "APAene er virkelig hjertet til detektoren, " sier Paulos.

PSL vil bygge tre APAer for et prototype-eksperiment kalt ProtoDUNE. UW-Madison samarbeider med flere institusjoner i Storbritannia, som skal bygge tre prototype APAer som bruker PSLs design. De har bygget en eksakt kopi av PSL wire-vikling roboten sammen med alle de andre verktøyene som er nødvendige for å bygge enhetene.

Sikring av spesifikke trådspenninger og tonehøyde er kritisk for APAs suksess.

"Den ultimate planen er å bygge fire detektormoduler under jorden i South Dakota. Hver modul vil være to tredjedeler av størrelsen på et fotballbane og omfatte 150 APAer, sier Paulos. Byggingen på modulene forventes å starte i 2020.

PSL vil bli med i et par andre laboratorier for å bygge hele pakken av APAer som trengs for fullskala DUNE-detektoren.

- Det er mye internasjonalt samarbeid om dette prosjektet, sier Paulos. "Det kommer til å ta verdensomspennende bidrag for å få DUNE til å skje, og vi er glade for at PSL spiller en viktig rolle."

I tillegg til å bygge APA, har UW-Madison lab designet og bygget detektor struktur støtte for prosjektet. En PSL ingeniør og tekniker er hos CERN (European Organization for Nuclear Research), og hjelper til med å sette maskinvaren sammen for ProtoDUNE.

"Med dette banebrytende, nå UW-Madisons Fysisk Vitenskapslaboratorium en annen prestasjon i sin allerede berømte historie i global neutrinoforskning, " sier Marsha Mailick, UW-Madison vice kansler for forskning og høyere utdanning. "Fysisk Vitenskapslaboratoriet har spilt integrerte roller i suksessen til slike sofistikerte vitenskapseksperimenter som IceCube Neutrino-observatoriet ved Sørpolen og Large Hadron Collider på CERN i Sveits."

"Dette har vært en god innsats på PSL med folk som jobber lange timer for å møte veldig stramme tidsfrister for å holde prosjektet på sporet, " sier Paulos. "Nesten alle som jobber på PSL har hatt en hånd i dette prosjektet på en eller annen gang, med en kjernegruppe på omtrent et dusin personer som jobber primært på prosjektet i et år."

Hvorfor UW-Madison Fysisk Vitenskapslaboratorium?

"PSL har en lang historie med å jobbe i høy energi fysikk, " forklarer Paulos. "Det, sammen med det faktum at vi har den rette blandingen av ingeniør-, design- og fabrikasjonskompetanse, samt toppmoderne maskiner og en elektronikkbutikk som er stor nok til å bygge APAene i et rent samlingsområde, stiller stillinger oss for å kunne gjøre denne typen arbeid. "

PSL har hittil fullført ca. 10 millioner dollar i arbeid på DUNE-prosjektet.

Den første APA ble sendt fra PSL 7. juli og ankom CERN 12. juli. Panelet er en del av ProtoDUNE-detektoren, en prototype for den massive Far Detector som til slutt vil bli plassert under jorden i South Dakota. Far-detektoren er en tidsprosjektorkammer (TPC), en type partikkeldetektor som bruker et sterkt elektronisk felt sammen med et sensitivt volum gass eller væske for å utføre en tredimensjonal rekonstruksjon av en partikkelbane eller interaksjon. Når det gjelder DUNE, vil TPC plasseres innenfor en kryostat fylt med argon.

Til slutt vil DUNE bestå av to partikkeldetektorer plassert i verdens mest intense neutrino stråle. En detektor vil registrere partikkelinteraksjoner nær strålenes kilde, ved Fermilab, mens den andre, fylt med 70.000 tonn flytende argon og avkjølt til -300 grader Fahrenheit, vil ta øyeblikksbilder av interaksjoner dypt under jorden på Sanford Lab.

Som nøytriner interagerer med den kalde væsken, skaper de en dusj av andre partikler og lys. Disse partikkelsporene hentes deretter av APA-elektronikk og overføres som data til overflaten.

Neutrinos er de mest omfattende stoffmateriellene i universet, men svært lite er kjent om deres rolle i måten universet utviklet seg. DUNE vil gjøre det mulig for forskere å lete etter forskjeller i nøytrinos adferd og deres antimatter-kolleger, antineutrinos, som kan gi viktige spor om hvorfor vi lever i et materielldominert univers - med andre ord, hvorfor er vi alle her, i stedet for vår universet har blitt utslettet like etter storebaren.

DUNE vil også se på nøytriner som produseres av supernovaer, hvilke forskere kan bruke til å lete etter dannelsen av nøytronstjerner eller til og med svarte hull. De store DUNE-detektorer vil også tillate forskere å lete etter det spådde, men observerte subatomære fenomenet protonforfall, en prosess nært knyttet til utviklingen av en enhetlig teori om energi og materie.

menu
menu