Een nieuw tijdperk in de neutrinofysica in de Verenigde Staten breekt aan, en UW-Madison's Physical Sciences Laboratory (PSL) in Stoughton speelt een sleutelrol.

De lange-baseline neutrino-faciliteit, de thuisbasis van het $ 2 miljard Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), zal uiteindelijk deeltjes 800 mijl door de aarde sturen van een laboratorium buiten Chicago naar een mijl-diepe detector in een inactieve goudmijn in de Black Hills van South Dakota.

Neutrino's zijn weinig begrepen, maar hun rol in het begrijpen van materie en de dynamiek van het universum groeit naarmate de wetenschap meer leert over de raadselachtige deeltjes door een constellatie van nieuwe en exotische detectoren, inclusief het nieuwe DUNE-experiment.

Baanbrekende ceremonies voor de Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) zullen vandaag gelijktijdig worden gehouden in het Sanford Lab in South Dakota en in Fermilab in Illinois.

De faciliteit zal de neutrinostraal en de infrastructuur leveren die de DUNE-detectoren zal ondersteunen, profiteren van Fermilab's krachtige deeltjesversnellercomplex en de diepe ondergrondse gebieden van Sanford Lab binnen een lange, bestaande tunnel uitgehouwen tijdens de goudwinningsdagen van de jaren dertig.

Zodra de eerste schop aarde is gedraaid, bemanningen zullen meer dan 800 opgraven, 000 ton steen - ongeveer het gewicht van acht vliegdekschepen - om enorme ondergrondse grotten te creëren voor de montage van enorme deeltjesdetectoren, allemaal om het mysterieuze neutrino beter te begrijpen. DUNE werd bedacht, ontworpen en gebouwd door een team van 1, 000 wetenschappers en ingenieurs uit meer dan 30 landen en 160 instellingen, inclusief UW-Madison.

In feite, wanneer DUNE over jaren operationeel is, het zal vertrouwen op anodepaneelassemblages (APA's) die zijn gebouwd in het Stoughton UW-laboratorium.

De detectoren zullen bestaan ​​uit grote panelen (de APA's) die worden ondergedompeld in vloeibaar argon. De APA's bestaan ​​uit ultradunne draden die om metaal zijn gewikkeld. Elke assemblage die bij de PSL van de UW is gemaakt, bestaat uit een roestvrijstalen frame van 20 voet lang, een laag kopergaas, en bijna 24 mijl van zeer dunne (150 micron diameter) koperberylliumdraad eromheen gewikkeld in vier lagen. De draad wordt vervolgens bevestigd aan een printplaat om neutrino's te volgen.

De directeur van het lab houdt toezicht op het werk van PSL aan DUNE, Bob Paulos. "De APA's zijn echt het hart van de detector, ' zegt Paulos.

PSL zal drie APA's bouwen voor een prototype-experiment genaamd ProtoDUNE. UW–Madison werkt samen met verschillende instellingen in het Verenigd Koninkrijk, die nog drie prototype APA's zal bouwen met behulp van het ontwerp van PSL. Ze hebben een exacte kopie van de PSL-draadopwindrobot gebouwd, samen met alle andere gereedschappen die nodig zijn om de apparaten te bouwen.

Zorgen voor specifieke draadspanning en spoed is van cruciaal belang voor het succes van de APA's.

"Het uiteindelijke plan is om vier detectormodules ondergronds te bouwen in South Dakota. Elke module zal tweederde van een voetbalveld zijn en 150 APA's bevatten, " zegt Paulos. De bouw van de modules zal naar verwachting in 2020 beginnen.

PSL voegt zich bij een aantal andere laboratoria om de volledige reeks APA's te bouwen die nodig zijn voor de volledige DUNE-detector.

"Er wordt veel internationaal samengewerkt aan dit project, " zegt Paulos. "Er zullen wereldwijde bijdragen nodig zijn om DUNE mogelijk te maken en we zijn verheugd dat PSL een belangrijke rol speelt."

Naast het bouwen van APA's, het UW-Madison-lab heeft een detectorstructuurondersteuning voor het project ontworpen en gebouwd. Een PSL-ingenieur en technicus zijn bij CERN (de Europese organisatie voor nucleair onderzoek) om de hardware voor ProtoDUNE in elkaar te zetten.

"Met deze baanbrekende UW-Madison's Physical Sciences Laboratory bereikt een nieuwe prestatie in zijn toch al illustere geschiedenis in wereldwijd neutrino-onderzoek, " zegt Marsha Mailick, UW-Madison vice-kanselier voor onderzoek en graduate onderwijs. "Het Physical Sciences Laboratory heeft een integrale rol gespeeld in het succes van geavanceerde wetenschappelijke experimenten zoals het IceCube Neutrino Observatory op de Zuidpool en de Large Hadron Collider bij CERN in Zwitserland."

"Dit was een geweldige teamprestatie bij PSL met mensen die lange dagen maakten om zeer strakke deadlines te halen om het project op schema te houden. ", zegt Paulos. "Bijna iedereen die bij PSL werkt, heeft wel eens meegewerkt aan dit project, met een kerngroep van ongeveer een dozijn mensen die een jaar lang voornamelijk aan het project werken."

Waarom het UW-Madison Physical Sciences Laboratory?

"PSL heeft een lange geschiedenis van werken in hoge-energiefysica, " legt Paulos uit. "Dat, samen met het feit dat we de juiste mix van engineering, ontwerp- en fabricage-expertise, evenals ultramoderne machines en een elektronicawinkel die groot genoeg is om de APA's in een schone montageruimte te bouwen, stelt ons in staat om dit soort werk te doen."

PSL heeft tot op heden ongeveer $ 10 miljoen aan werk aan het DUNE-project voltooid.

De eerste APA werd op 7 juli vanuit de PSL verscheept en arriveerde op 12 juli bij CERN. Het paneel maakt deel uit van de ProtoDUNE-detector, een prototype voor de enorme Far Detector die uiteindelijk ondergronds in South Dakota zal worden gehuisvest. De Far Detector is een tijdprojectiekamer (TPC), een type deeltjesdetector die een sterk elektronisch veld samen met een gevoelig volume gas of vloeistof gebruikt om een ​​driedimensionale reconstructie van een deeltjestraject of interactie uit te voeren. In het geval van DUN, de TPC wordt geplaatst in een cryostaat gevuld met argon.

Eventueel, DUNE zal bestaan ​​uit twee deeltjesdetectoren die in 's werelds meest intense neutrinostraal worden geplaatst. Eén detector registreert deeltjesinteracties nabij de bron van de straal, bij Fermilab, terwijl de andere, gevuld met 70, 000 ton vloeibaar argon en afgekoeld tot -300 graden Fahrenheit, zal snapshots maken van interacties diep onder de grond in het Sanford Lab.

Als neutrino's interageren met de koude vloeistof, ze creëren een regen van andere deeltjes en licht. Die deeltjessporen worden vervolgens opgepikt door APA-elektronica en als gegevens naar het oppervlak verzonden.

Neutrino's zijn de meest voorkomende materiedeeltjes in het heelal, toch is er heel weinig bekend over hun rol in de manier waarop het universum evolueerde. DUNE stelt wetenschappers in staat om te zoeken naar verschillen in het gedrag van neutrino's en hun antimaterie-tegenhangers, antineutrino's, die essentiële aanwijzingen zouden kunnen geven waarom we in een door materie gedomineerd universum leven - met andere woorden, waarom we hier allemaal zijn, in plaats van dat ons universum vlak na de oerknal is vernietigd.

DUNE zal ook letten op neutrino's geproduceerd door supernova's, waarmee wetenschappers kunnen zoeken naar de vorming van neutronensterren of zelfs zwarte gaten. Met de grote DUNE-detectoren kunnen wetenschappers ook zoeken naar het voorspelde maar nooit waargenomen subatomaire fenomeen van protonverval, een proces dat nauw verbonden is met de ontwikkeling van een verenigde theorie van energie en materie.