Het internationale Deep Underground Neutrino-experiment, of DUIN, gehost door Fermilab, zal enorm zijn. In feite, met meer dan 1, 000 medewerkers uit meer dan 30 landen en vijf continenten, het is het grootste internationale wetenschappelijke project dat ooit in de VS is georganiseerd.

Ter voorbereiding op deze enorme inspanning, de deeltjesfysica-gemeenschap gebruikt DUNE-technologieën voor grondige testritten. Over de afgelopen tien jaar, de deeltjesdetectoren ICARUS, MicroBooNE en LARIAT bij Fermilab en de ProtoDUNE-detectoren bij CERN hebben allemaal op de een of andere manier bijgedragen aan het verzamelen van de diepgaande achtergrondkennis die nodig is om DUNE te bouwen en te exploiteren, een neutrino-detector die vloeibaar argon en geavanceerde elektronica zal gebruiken om de doorgang van de beroemde ongrijpbare deeltjes vast te leggen.

in 2019, De voorbereidingen van DUNE gingen een nieuwe fase in toen Fermilab een nieuwe testfaciliteit voor DUNE-detectoren oprichtte:de geïntegreerde cryostaat en elektronica die is gebouwd voor experimentele onderzoeksdoelen, of IJSBERG.

"Het primaire doel van DUNE is het meten en begrijpen van zeer specifieke eigenschappen van het neutrino, en ICEBERG is een faciliteit waar we kunnen bevestigen dat de detectorcomponenten die we ontwerpen voldoen aan de specificaties die nodig zijn om DUNE succesvol te laten zijn, " zei Rory Fitzpatrick, een afgestudeerde student aan de Universiteit van Michigan die werkt aan de fotondetectoren van ICEBERG.

De meest voorkomende materiedeeltjes in het heelal, neutrino's vormen een waardevolle proeftuin voor theorieën over deeltjesfysica. Ze hebben nauwelijks contact met iets, en ze oscilleren tussen drie verschillende toestanden terwijl ze reizen.

Natuurkundige experimenten zoals DUNE maken gebruik van de eigenschappen van neutrino's om verschillen tussen materie en antimaterie te belichten, misschien verklaren waarom het universum lijkt te worden gedomineerd door materie. Neutrino's kunnen ons onderweg ook leren over de levensduur van het proton en over de vorming van zwarte gaten.

Fermilab-versnellers schieten een ondergrondse straal van neutrinodeeltjes 800 mijl door de aardkorst - van Fermilab in Illinois tot de Sanford Underground Research Facility in South Dakota. Op elke locatie, een detector zal de samenstelling van de bundel meten en analyseren hoe de deeltjes tijdens hun vlucht van vorm zijn veranderd. Omdat neutrino's zo zwak op elkaar inwerken, de detectoren moeten massief en ultragevoelig zijn. Het zijn in wezen gigantische kuipen met vloeibaar argon die worden gebombardeerd met de kleine deeltjes. Zo nu en dan, een van de neutrino's zal interageren met het argon en geladen deeltjes en fotonen produceren, beide worden gedetecteerd door verschillende sensoren in DUNE. De detector in ICEBERG is in feite een miniatuurversie van de DUNE-component die deze deeltjes volgt.

Het is niet nodig om zeer ongrijpbare neutrino's naar deeltjesdetectoren te sturen terwijl je gewoon de functionaliteit van het systeem test. Bij plaatsing boven de grond, detectoren kunnen ook veel consistenter sporen van kosmische straling oppikken - gecreëerd wanneer hoogenergetische deeltjes uit de ruimte de atmosfeer raken.

De kosmische stralingssignaturen stellen natuurkundigen in staat om de DUNE-elektronica bovengronds te testen met ladingsvolg- en fotondetectiesystemen. Plus, omdat de kosmische straling overvloedig aanwezig is op het aardoppervlak en gemakkelijker te detecteren is dan neutrino's, de prototypes kunnen kleiner zijn en hebben veel minder kostbaar argon nodig.

Het vloeibare argon dat voor ICEBERG wordt gebruikt, zou het bed van een pick-uptruck vullen. DUIN, ter vergelijking, vereist voldoende argon om 12 zwembaden van olympische afmetingen te vullen. DUNE-onderzoekers testen momenteel de tweede van verschillende combinaties van nieuwe en bewezen elektronica met ICEBERG.

"De wetenschappers, ingenieurs en technisch personeel werken samen om manieren te vinden om de ICEBERG voortdurend te verbeteren en alle ondersteunende infrastructuur draaiende te houden, " zei Kelly Hardin, een Fermilab-technicus die werkt aan alle vloeistof-argondetectoren bij Fermilab.

Zodra deze reeks tests is afgelopen, de gekozen elektronica en fotonsensoren zullen naar verwachting worden getest in een van de ProtoDUNE-detectoren voordat ze in massa worden geproduceerd voor gebruik in DUNE.

"Tot dusver, de hele ICEBERG-detector en bijbehorende infrastructuur naar behoren werken, " zei Shekhar Mishra, Fermilab-wetenschapper en ICEBERG-projectleider. "De metingen komen heel mooi uit. We hebben prachtige sporen gezien en fotonen gedetecteerd."

Het proces van het bedienen en onderhouden van deze en andere prototype-detectoren maakt wetenschappers klaar voor de hoofdklasse:DUNE. Een internationaal project van zijn omvang vraagt ​​om strenge assurance-checks en een gedegen voorbereiding.

"ICEBERG heeft me de kans gegeven om mijn handen vuil te maken en wat schroeven te draaien, " zei Ivan Caro Terrazas, een afgestudeerde student aan de Colorado State University die werkt aan de deeltjesvolgsystemen van ICEBERG. "Het verbaast me hoeveel coördinatie er nodig is voor een detector zo klein als ICEBERG, laat staan ​​DUNE zelf."

Op veel manieren, ICEBERG is een glazen bol voor DUNE en geeft inzicht in de toekomstige obstakels en vereisten.

"Zelfs door ICEBERG te runnen, een micro-DUIN, we leren veel over wat we moeten bouwen, bedienen en beheren van deze enorme detector, " zei Mishra. "ICEBERG is een samenwerkingsverband van laboratoria en instellingen over de hele wereld. We vertrouwen op ons diverse team om uitdagingen aan te gaan en onze doelen te bereiken."