Een eeuw geleden, natuurkundigen wisten niet van het bestaan ​​van neutrino's, de meest voorkomende, ongrijpbare en etherische subatomaire deeltjes van materie in het universum.

Hoewel ze talrijk zijn, elk individueel neutrino is bijna massaloos. Hoe dan ook, "ze vormen vele aspecten van het universum zoals wij het kennen, " zei Hirohisa Tanaka, een professor in deeltjesfysica en astrofysica aan de Stanford University en SLAC National Accelerator Laboratory.

Daarom Tanaka en meer dan 1, 000 andere onderzoekers uit meer dan 30 landen zijn betrokken bij het Deep Underground Neutrino Experiment, of DUIN, georganiseerd door het Fermi National Accelerator Laboratory van het Department of Energy.

"Miljarden neutrino's kunnen door je heen gaan zonder dat je het ooit beseft, dus ze zijn erg moeilijk te krijgen en te bestuderen, " zei Alfons Weber, een natuurkundeprofessor aan de Universiteit van Oxford.

Neutrino's zijn er in drie soorten die van de ene in de andere veranderen:elektron, muon en tau, en elk heeft een antimaterie neef. DUNE zal twee deeltjesdetectoren gebruiken, gescheiden door 800 mijl (1, 300 kilometer) om te meten hoe de neutrino's morphen, of oscilleren, terwijl ze door de ruimte reizen, materie en tijd. De DUNE nabij detector, gevestigd in Fermilab buiten Chicago, zal de neutrino's meten en hoe ze op elkaar inwerken voordat ze oscilleren. De DUNE ver-detector, te worden gevestigd in de Sanford Underground Research Facility in South Dakota, zal ze na oscillatie observeren.

Het project is ambitieus in zijn internationale reikwijdte en wetenschappelijke doelen. Het zou nieuw inzicht kunnen verschaffen in de onevenwichtige vermenging van materie en antimaterie, het fenomeen dat de vorming van materie in het heelal mogelijk heeft gemaakt. Zo'n belangrijke ontdekking vereist dat beide detectoren samen werken.

"Vanwege oscillatie, de methode is om de neutrino-bundel te meten op de nabije locatie en vervolgens op de verre locatie en de twee gedragingen te vergelijken, " zei Luca Stanco van het Italiaanse Nationale Instituut voor Kernfysica, vaak aangeduid met het Italiaanse acroniem, INFN. "Het is van fundamenteel belang om alle kenmerken van de neutrinostraal in de nabije detector onder controle te hebben, waar de straal vandaan komt."

Hirohisa Tanaka, Alfons Weber, Luca Stanco, Michele Weber van de Universiteit van Bern, en Alan Bross en Jennifer Raaf van Fermilab spelen een sleutelrol bij de ontwikkeling van de neutrino-ophopende componenten van de DUNE-nabije-detector.

Drie subdetectorsystemen

Voortbouwend op de lessen die zijn getrokken uit eerdere experimenten, de detectorontwerpen zijn geavanceerder geworden. De DUNE nabij detector, te installeren op ongeveer 600 meter van de plaats waar de neutrino's worden geproduceerd in de versnellers van Fermilab, zal bestaan ​​uit drie subdetectoren die naast elkaar zullen zitten.

Een van de subdetectoren, bekend als ZAND, met zijn 15, 000 kilometer (9, 320 mijl) scintillatorvezels en de 5, 000 fotomultiplicatoren, zal neutrino's detecteren met een elektronische calorimeter, die deeltjesenergie meet, en een volger, die deeltjesmomenta en lading registreert. Een tweede deeldetector, gebaseerd op de ArgonCube-technologie ontwikkeld aan de Universiteit van Bern in Zwitserland, zal vloeibaar argon gebruiken om de neutrino-interacties in de verre detector na te bootsen, en de derde zal gasvormig argon gebruiken. Samenwerken, ze zullen deeltjes met meer precisie meten dan andere neutrinodetectoren kunnen bereiken.

"Het is een heel ingewikkeld systeem, " zei Stanco, die de groep leidt die aan SAND werkt.

ZAND zal direct in het pad van de neutrinostraal zitten om de stabiliteit en samenstelling ervan te meten. De twee op argon gebaseerde detectoren, In de tussentijd, zal verplaatsbaar zijn, in staat om ofwel direct in het pad van de straal te zitten of naar één kant te worden gekanteld. Door de verschillende kijkhoeken kunnen die detectoren meten hoe neutrino-interacties veranderen als de energieën van de deeltjes veranderen.

De vloeistof-argon-subdetector zal op dezelfde manier werken als de veel grotere verre detector van DUNE:wanneer neutrino's interageren met het vloeibare argon, de interactie zal geladen deeltjes creëren die zullen worden gedetecteerd door elektronische componenten die versterken, digitaliseren en vervolgens signalen naar een computer sturen waar de informatie in de signalen kan worden gereconstrueerd.

Verschillende eerdere generaties van neutrino-experimenten hebben geleid tot een evolutie in het ontwerp van neutrino-detectoren. Toen de detectoren voor die eerdere experimenten werden ontworpen, "We hadden geen idee hoe slecht we begrepen hoe neutrino's op elkaar inwerken en alle verschillende effecten die we moeten bestuderen om een ​​robuuste meting te doen, zei Alfons Weber.

Vloeistof-argondetectoren hebben massa's van vele kilotonen nodig om hun kansen op het waarnemen van neutrino-interacties te vergroten.

"We praten altijd over neutrino's die ongrijpbaar en moeilijk te detecteren zijn, " zei Tanaka, wiens SLAC-team de belangrijkste componenten van de vloeibare argon-subdetector zal leveren. 'Je ziet er maar een paar en maar heel zelden.'

Voor de nabije detector geldt het tegenovergestelde. Daar, "De neutrinostraal die we produceren is zo intens dat we in de vloeibare-argon-subdetector ongeveer 50 interacties zullen zien binnen een miljoenste van een seconde, " hij zei.

De aldus gecreëerde uitdaging is het identificeren van individuele neutrino's, hun energieën en hun typen met een snelheid die overeenkomt met de stroom neutrino's die de nabije detector zal zien.

Om dergelijke gegevens vast te leggen, de vloeistof-argon-subdetector zal bestaan ​​uit een reeks van 35 bijna onafhankelijk functionerende kleinere modules. Elke module in de array heeft een massa van ongeveer drie ton. Wanneer hoogspanning wordt toegepast op het vloeibare argonvolume, de anders passieve elektronen in de argonatomen komen vrij en beginnen te bewegen in de richting van een reeks detectie-elementen.

Vloeibaar argon - afgekoeld tot die toestand vanuit zijn gasvorm - is zo dicht dat de deeltjes met de laagste energie aan de detectie ontsnappen. Om die ontsnapte deeltjes te vangen, de argon-gas-subdetector zit naast zijn vloeibare-argon-tegenhanger. Er zullen veel minder neutrino-interacties plaatsvinden in het argongas vanwege de lagere dichtheid.

"Je kunt andere dingen meten in de argon-gas-subdetector die je niet kunt meten in de vloeibare-argon-subdetector, " Zei Weber. Dit omvat het meten van de effecten van neutrino-interacties op argonkernen, een proces dat onzekerheid creëert in neutrino-oscillatiemetingen.

Zoeken naar nieuwe deeltjes

De drie subdetectoren die in combinatie werken, zullen het voor natuurkundigen mogelijk maken om te zoeken naar verschijnselen die de grenzen van bekende natuurwetten overschrijden. Omdat Fermilab's Main Injector-deeltjesversneller neutrino's genereert die door de DUNE in de buurt van de detector gaan, "Er kunnen ook andere deeltjes worden geproduceerd, deeltjes waar we nog niets van weten, Weber zei. "Er kunnen ook andere deeltjes worden geproduceerd, deeltjes waar we nog niets van weten."

Zware neutrino's en donkere fotonen vallen in deze categorie. Het bestaan ​​van zware neutrino's zou het verbijsterende feit kunnen verklaren dat de bekende neutrino's een kleine massa hebben, en hun ontdekking zou de aard van donkere materie kunnen helpen verklaren. Donkere fotonen zouden de onzichtbare neven zijn van gewone fotonen, die elektromagnetische deeltjes zijn. De detectie van donkere fotonen - als ze bestaan ​​- zou het uitgestrekte maar momenteel onzichtbare donkere sectorgedeelte van het universum kunnen verlichten.

En dan is er nog het onverwachte.

"Ik denk en ik hoop dat we een verrassing zullen hebben in het natuurkundig resultaat, ' zei Stanco.