Dünyadaki en büyük nötrino dedektörleri yaratmak
Amerika Birleşik Devletleri'nde nötrino fiziğinde yeni bir dönem devam ediyor ve Stoughton'daki UW – Madison'ın Fiziksel Bilimler Laboratuvarı (PSL) önemli bir rol oynuyor.
2 milyar dolar değerindeki Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) 'a ev sahipliği yapan Long-Baseline Neutrino Tesisi, en nihayetinde, Chicago'nun dışındaki bir laboratuardan, Black Hills'deki inaktif bir altın madeninde, bir mil derinlikli dedektöre dünyanın 800 mil uzunluğundaki parçacıklarını gönderecek. Güney Dakota.
Nötrinolar çok az anlaşılmaktadır, ancak bilimin yeni DUNE deneyi de dahil olmak üzere yeni ve egzotik dedektörlerin bir araya gelmesiyle bilmeceler hakkında daha fazla şey öğrenmeye devam ettiği için madde ve evrenin dinamiklerini anlamadaki rolü artmaktadır.
Long Baseline Neutrino Facility (LBNF) için temel atma törenleri günümüzde Güney Dakota'daki Sanford Lab'da ve Illinois'deki Fermilab'da gerçekleştirilecek.
Tesis, 1930'ların altın madenleri sırasında ortaya çıkarılan uzun bir tünelde Fermilab'ın güçlü parçacık hızlandırıcı kompleksinden ve Sanford Lab'in derin yer altı alanlarından yararlanarak, DUNE dedektörlerini destekleyecek olan nötrino ışını ve altyapısını sağlayacaktır.
Dünyanın ilk küreği döndükten sonra, mürettebatlar, gizemli nötrinoları daha iyi anlamak için devasa parçacık detektörlerinin montajı için büyük yeraltı mağaraları yaratmak üzere 800.000 tondan fazla kayayı (yaklaşık sekiz uçak gemisinin ağırlığı) kazacak. DUNE, UW-Madison da dahil olmak üzere 30'dan fazla ülkeden ve 160 kurumdan oluşan 1000 bilim adamı ve mühendisden oluşan bir ekip tarafından tasarlandı ve tasarlandı.
Aslında, DUNE şu andan itibaren işletme yılı olduğu zaman, Stoughton UW laboratuarında inşa edilen anot panel gruplarına (APA) güvenecektir.
Dedektörler, sıvı argon içine daldırılacak büyük panellerden (APA'lardan) oluşacaktır. APA'lar metal etrafına sarılmış ultrathin tellerden oluşur. UW'nin PSL'sinde oluşturulan her bir düzenek, 20 metre uzunluğunda bir paslanmaz çelik çerçeve, bir bakır örgü tabakası ve dört tabakanın etrafında yaklaşık 15 mil çok ince (150 mikron çapında) bakır berilyum telden oluşuyor. Tel, daha sonra nötrinoları izlemek için bir devre kartına bağlanır.
PSL'nin DUNE'deki çalışmalarını denetlemek laboratuvarın direktörü Bob Paulos. Paulos, “APA'lar dedektörün kalbidir” diyor.
PSL, ProtoDUNE adında bir prototip denemesi için üç APA kuracaktır. UW-Madison, Birleşik Krallık'ta PSL'nin tasarımını kullanan üç prototip APA geliştirecek çeşitli kurumlarla işbirliği yapıyor. Cihazları oluşturmak için gerekli olan tüm diğer takımlarla birlikte PSL tel sarma robotunun tam bir kopyasını oluşturmuşlardır.
APA'ların başarısı için belirli tel gerginliğinin ve ziftin sağlanması önemlidir.
Paulos, "Nihai plan Güney Dakota'da yeraltında dört dedektör modülü inşa etmektir. Her modül bir futbol sahasının üçte iki katı olacak ve 150 APA'dan oluşacak." Diyor. Modüllerin yapımının 2020'de başlaması bekleniyor.
PSL, tam ölçekli DUNE dedektörü için gereken tüm APA'ları oluşturmak için birkaç başka laboratuara katılacaktır.
Paulos, "Bu projede çok sayıda uluslararası işbirliği var, " diyor. "DUNE yapmak için dünya çapında katkılar alacak ve PSL'nin önemli bir rol oynadığı için heyecan duyuyoruz."
UA-Madison laboratuvarı, APA oluşturmaya ek olarak, proje için detektör yapısı desteği tasarladı ve geliştirdi. Bir PSL mühendisi ve teknisyeni, CERN'de (Avrupa Nükleer Araştırma Örgütü), Donanımı ProtoDUNE için bir araya getirmeye yardım ediyor.
"Bu çığır açan, UW-Madison'ın Fiziksel Bilimler Laboratuvarı, global nötrino araştırmalarında şimdiden şahane bir tarihte başka bir başarıya ulaşır, " diyor, UW-Madison araştırma ve lisansüstü eğitimden sorumlu başbakan yardımcısı Marsha Mailick. "Fiziksel Bilimler Laboratuvarı, Güney Kutbu'ndaki IceCube Neutrino Gözlemevi ve İsviçre'deki CERN'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı gibi sofistike bilim deneylerinin başarısında bütünsel roller oynamıştır."
Paulos, “Bu, PSL'de projeyi ilerletmek için çok sıkı son teslim tarihlerini karşılamak için uzun saatler çalışan insanlarla harika bir ekip çalışması oldu” diyor. "PSL'de çalışan neredeyse herkes bu projede bir zamanlar, bir yıl boyunca projede öncelikli olarak çalışan yaklaşık bir düzine insanın çekirdek grubuyla bir el ele geçirdi."
Neden UW-Madison Fizik Bilimleri Laboratuvarı?
Paulos, "PSL'nin yüksek enerjili fizikte uzun bir çalışma geçmişi var" diye açıklıyor. "Bununla birlikte, mühendislik, tasarım ve imalat uzmanlığının yanı sıra temiz bir montaj alanında APA'ları inşa edecek kadar büyük olan son teknoloji ürünü makine ve elektronik mağazasının doğru karışımına sahibiz. Bu tür işleri yapabilmemiz için. "
PSL, bugüne kadar DUNE projesinde yaklaşık 10 milyon dolarlık bir çalışma gerçekleştirdi.
İlk APA, 7 Temmuz'da PSL'den geldi ve 12 Temmuz'da CERN'e ulaştı. Panel, Güney Dakota'da yeraltına yerleştirilecek olan devasa Uzak Dedektör için bir prototip olan ProtoDUNE dedektörünün bir parçası. Uzak Dedektör, bir parçacık yörüngesinin veya etkileşimin üç boyutlu bir yeniden yapılandırmasını gerçekleştirmek için hassas bir gaz veya sıvı hacmiyle birlikte güçlü bir elektronik alan kullanan bir parçacık detektörü olan bir Zaman Projeksiyon Odasıdır (TPC). DUNE durumunda, TPC argonla dolu bir kriyostat içinde konumlandırılacaktır.
Sonunda, DUNE dünyanın en yoğun nötrino ışınına yerleştirilmiş iki parçacık dedektörden oluşacaktır. Bir dedektör, Fermilab'daki kirişin kaynağının yakınındaki parçacık etkileşimlerini kaydederken, diğeri 70.000 ton sıvı argonla doldurulmuş ve –300 derece Fahrenheit'e soğutulduğunda, Sanford Laboratuvarı'nda derin yer altı etkileşimlerinin fotoğraflarını çekecektir.
Nötrinolar soğuk sıvı ile etkileşirken, diğer parçacıkların ve ışığın duşunu oluştururlar. Bu parçacık parçaları daha sonra APA elektroniği tarafından alınır ve veriye yüzey olarak aktarılır.
Nötrinolar evrendeki en bol madde parçacıklarıdır, ancak evrenin evrimleşme biçimindeki rolü hakkında çok az şey bilinir. DUNE, bilim adamlarının, nötrinoların ve onların antimadde karşıtları olan antineutrinos'ların davranışlarındaki farklılıkları aramasını sağlayacak, çünkü madde-egemen bir evrende niçin yaşadığımıza dair önemli ipuçları sağlayabilecek -bir başka deyişle, neden hepimiz buradayız? Büyük Patlama'dan hemen sonra yok olan evren.
DUNE ayrıca, bilim adamlarının nötron yıldızlarının ve hatta kara deliklerin oluşumunu aramak için kullanabilecekleri süpernova tarafından üretilen nötrinoları da izleyecektir. Büyük DUNE dedektörleri ayrıca bilim adamlarının, birleşik bir enerji ve madde teorisinin gelişmesine sıkı sıkıya bağlı bir süreç olan proton çürümesinin tahmin edilen, ancak hiç gözlemlenmeyen atom altı fenomenini aramalarına izin verecektir.