De DUNE-samenwerking heeft hun eerste wetenschappelijke artikel gepubliceerd op basis van gegevens die zijn verzameld met de ProtoDUNE eenfasige detector op het Neutrino-platform van CERN. De resultaten laten zien dat de detector presteert met een efficiëntie van meer dan 99%, waardoor het niet alleen de grootste, maar ook de best presterende vloeistof-argon tijdprojectiekamer tot nu toe. Wetenschappers gebruiken hun bevindingen nu om hun experimentele technieken te verfijnen en zich voor te bereiden op de bouw van het internationale Deep Underground Neutrino Experiment in de Long-Baseline Neutrino Facility, een experimenteel neutrino-programma van de volgende generatie, georganiseerd door Fermilab van het Department of Energy in de Verenigde Staten.

"Deze eerste resultaten zijn geweldig nieuws voor ons, " zei DUNE medewoordvoerder Stefan Söldner-Rembold, professor aan de Universiteit van Manchester in het VK. "Ze laten zien dat de ProtoDUNE-SP-detector nog beter werkt dan verwacht. Nu zijn we klaar voor de bouw van de eerste componenten voor de DUNE-detector, die detectormodules zal bevatten op basis van dit prototype, maar 20 keer groter."

DUNE is een ambitieus internationaal experiment dat de eigenschappen van kleine fundamentele deeltjes, neutrino's genaamd, gaat meten. Neutrino's zijn het meest voorkomende materiedeeltje in het heelal, maar omdat ze zelden interageren met andere deeltjes, ze zijn ongelooflijk moeilijk te bestuderen. Er zijn minstens drie verschillende soorten neutrino's, en, elke seconde, 65 miljard van hen passeren elke vierkante centimeter van de aarde. Terwijl ze reizen, ze doen iets eigenaardigs:ze veranderen van het ene type in het andere. Wetenschappers denken dat deze neutrino-oscillaties - evenals oscillaties met antimaterie-neutrino's - kunnen helpen bij het beantwoorden van enkele van de grote vragen in de natuurkunde, zoals de waargenomen asymmetrie tussen materie en antimaterie in het heelal. DUNE gaat ook op zoek naar neutrino's van supernova's en naar zeldzame subatomaire processen zoals protonverval.

"ProtoDUNE-SP laat zien dat we dit soort technologie kunnen opschalen tot de grootte en resolutie die we nodig hebben om neutrino's eindelijk onder een zeer krachtige microscoop te plaatsen, " zei Marzio Nessi, coördinator van het CERN Neutrino Platform.

Het nauwkeurig meten van deze oscillaties zal sommige theoretische modellen beperken en zelfs uitsluiten en nieuwe wegen openen om zeldzame subatomaire verschijnselen te ontdekken en te onderzoeken. Maar om die precieze metingen te krijgen, wetenschappers hebben ongelooflijk grote, gevoelige en betrouwbare detectoren.

"De ProtoDUNE-resultaten laten zien dat we een detector hebben ontworpen waarmee we onze wetenschappelijke doelen in DUNE kunnen bereiken, " zei Elizabeth Worcester, een wetenschapper bij het Brookhaven National Laboratory van het Department of Energy en DUNE-fysicacoördinator.

DUNE is ontworpen om de aard van neutrino-oscillaties te onthullen door een intense bundel neutrino's af te vuren van Fermilab bij Chicago door 1, 300 kilometer (800 mijl) aarde en in vier gigantische ondergrondse detectormodules op 1,5 kilometer diep in de Sanford Underground Research Facility in South Dakota. Twee ProtoDUNE-detectoren bij CERN - één gebaseerd op een enkelfasige en de andere gebaseerd op een tweefasige vloeistof-argontechnologie - zijn een stap in de richting van de bouw van de enorme DUNE-detectormodules, elk gevuld met 17, 000 ton vloeibare argon. Het DUNE Technisch Ontwerprapport, gepubliceerd in februari, is de blauwdruk voor het bouwen van deze modules.

Bij CERN, DUNE-wetenschappers van over de hele wereld gebruikten kosmische straling en een 800-GeV-teststraal om de ProtoDUNE-SP-detector te evalueren. De teststraal van CERN's SPS-versneller ging door twee afzonderlijke doelen om elektronenstralen te creëren, protonen en andere soorten deeltjes. Deeltjesdetectoren die zich net buiten ProtoDUNE bevonden, maten de energie en identiteit van deze teststraaldeeltjes voordat ze ProtoDUNE-SP binnengingen. Binnen in de detektor, delicate vlakken van draden afgewisseld met fotondetectoren hangen binnen 800 ton transparant, vloeibare argon. Wanneer een passerend deeltje interageert met het argon, het klopt losse elektronen die door een elektrisch hoogspanningsveld over enkele meters worden getrokken naar de draadvlakken dichtbij de detectorwanden. Van het signaal op de draden, wetenschappers creëren een 3D-beeld van de baan van het deeltje en kunnen de energie en identiteit bepalen. Door deze informatie van binnen ProtoDUNE-SP te vergelijken met de bekende eigenschappen van het originele teststraaldeeltje, ze waren in staat om het apparaat nauwkeurig te kalibreren en de complexe reconstructiesoftware te optimaliseren.

Net zoals de kwaliteit van een foto aanzienlijk varieert op basis van de kwaliteit van de camera en bewerkingssoftware van een fotograaf, de kwaliteit van natuurkundige gegevens is slechts zo goed als de detector en zijn reconstructietools. Wetenschappers die aan ProtoDUNE-SP werken, hebben geleerd van eerdere neutrino-experimenten en hebben een prestatieniveau bereikt dat voorheen onmogelijk was. Alle detectorgegevens bevatten kleine variaties, lawaai genoemd, die soms moeilijk te onderscheiden zijn van de signalen die door deeltjes worden gegenereerd. Dit is een veelvoorkomend probleem bij alle natuurkundige experimenten, en wetenschappers denken voortdurend aan innovatieve manieren om de datakwaliteit te verbeteren door een combinatie van het versterken van het signaal en het verminderen van de hoeveelheid ruis. In deze eerste DUNE-paper, wetenschappers laten zien hoe ze een signaal-ruisverhouding van 50 op 1 konden bereiken wat voorheen onmogelijk was voor projectiekamers met vloeibare argon-tijd. Ze evalueerden ook de betrouwbaarheid van de detector en ontdekten dat meer dan 99% van de 15, 360 detectorkanalen werken zoals het hoort.

"Als sommige kanalen in een detector niet werken, wetenschappers krijgen gaten in hun gegevens, " zei Tingjun Yang, een DUNE-medewerker bij Fermilab die de ProtoDUNE-gegevensanalyse leidde. "Gegevensanalysetools kunnen helpen die hiaten te dichten, maar er is een grens. Het aantal inactieve kanalen in ProtoDUNE is minder dan 1%, waardoor we een zeer efficiënte reconstructie van evenementen hebben. ProtoDUNE-SP laat zien dat we onze natuurkundige doelen kunnen bereiken en overtreffen."