Wetenschappers die bij CERN werken, zijn begonnen met het testen van een nieuw prototype van een neutrinodetector, met behulp van een veelbelovende technologie genaamd 'dual phase'. Indien succesvol, deze nieuwe technologie zal op veel grotere schaal worden gebruikt voor het internationale Deep Underground Neutrino Experiment, georganiseerd door Fermilab van het Amerikaanse ministerie van Energie.

Wetenschappers zijn eind augustus begonnen met het gebruik van de tweefasige prototypedetector bij CERN en hebben de eerste sporen waargenomen. Gevuld met 800 ton argon, de detector is ongeveer zo groot als een huis met drie verdiepingen.

De nieuwe technologie zou worden gebruikt naast zogenaamde eenfasedetectoren die al vele jaren met succes worden gebruikt. Maar de nieuwe dual-phase technologie kan baanbrekend zijn, omdat het de zwakke signalen die deeltjes creëren wanneer ze door de detector bewegen aanzienlijk zou versterken.

"De enkelfasige technologie is een beproefde methode die zal worden gebruikt om de eerste module voor de DUNE-detector te bouwen, "Zei DUNE-medewoordvoerder Ed Blucher van de Universiteit van Chicago. "Deze nieuwe tweefasentechnologie biedt een tweede methode die een groot potentieel heeft om toe te voegen aan de mogelijkheden van de DUNE-detector."

Bij een eenfase-experiment de deeltjesdetector is volledig gevuld met vloeibaar argon. Draadvlakken en fotosensoren ondergedompeld in het vloeibare argon registreren de zwakke signalen die worden veroorzaakt wanneer een neutrino inslaat op een argonatoom. De samenwerking met DUNE is in september 2018 met succes begonnen met de exploitatie van een grote eenfasige prototypedetector bij CERN.

Wetenschappers en ingenieurs hebben nu op grote schaal een tweefasige technologie ingezet die vloeibaar argon als doelmateriaal en een laag gasvormig argon boven de vloeistof gebruikt om zwakke deeltjessignalen te versterken voordat ze aankomen bij sensoren aan de bovenkant van de detector, in het argongas. Vergeleken met de enkelfasige technologie, deze opstelling kan sterkere signalen opleveren, waardoor ze zich onderscheiden van achtergrondgeluid. Het zou wetenschappers dus in staat stellen om te zoeken naar neutrino-interacties met een lagere energie.

Een ander voordeel van de tweefasige technologie:alle elektronica voor de gegevensverzameling bevindt zich in de gaslaag nabij de bovenkant van de detector en is toegankelijk via speciale schoorstenen die van buitenaf openen, zelfs als het grootste deel van de detector gevuld is met argon, bewaard bij een temperatuur onder minus 184 graden Celsius (minus 300 graden Fahrenheit).

In tegenstelling tot de enkelfasige technologie, de detector heeft een enkel actief volume zonder detectorcomponenten in het midden van het vloeibare argon en een beperkt aantal uitleeselementen aan de bovenkant.

"Dit is een zeer elegant ontwerp dat vooruitgang vereist in hoogspanningstechnologie en argonzuiverheid, " zei Fermilab-directeur Nigel Lockyer.

Het prototype is een kubusvormige detector die in elke richting ongeveer zes meter lang is. Het verzamelen van de elektronen en het uitlezen van de signalen gebeurt door innovatieve systemen, elk met een oppervlakte van negen vierkante meter, afzonderlijk enkele millimeters boven het vloeistofniveau opgehangen.

De tweefasige ProtoDUNE-detector is slechts een klein onderdeel van de detector die de internationale DUNE-samenwerking van plan is in de komende tien jaar in de Verenigde Staten te bouwen:een DUNE-detectormodule zal het equivalent van 20 tweefasige prototypedetectoren huisvesten en werken bij een hoge spanning tot 600, 000 volt.

DUNE is van plan om vier full-size detectormodules te bouwen op basis van argontechnologie. Ze bevinden zich anderhalve kilometer onder de grond in de Sanford Underground Research Facility in South Dakota. Wetenschappers zullen het gebruiken om te ontdekken of neutrino's de reden kunnen zijn dat materie domineert over antimaterie in ons universum.

De resultaten van de test bij CERN zullen helpen bij de beslissing hoeveel modules de enkelfasige technologie zullen bevatten en hoeveel de tweefasige technologie zullen gebruiken.

De DUNE-samenwerking omvat meer dan 1, 000 wetenschappers en ingenieurs uit meer dan 30 landen in vijf continenten:Afrika, Azië, Europa, Noord-Amerika en Zuid-Amerika.