Met een richtlijn om naar natuurkunde te zoeken die verder gaat dan het standaardmodel en het gedrag van de meest ongrijpbare deeltjes van het universum te bestuderen, het Fermi National Accelerator Laboratory's Short-Baseline Neutrino-programma van het Amerikaanse ministerie van Energie heeft een volledige plaat.

Bestaande uit drie detectoren:de Short-baseline Near Detector, MicroBooNE en ICARUS—het programma zal voortbouwen op de internationaal geprezen neutrino-onderzoeksactiviteiten van Fermilab. Door neutrino-eigenschappen te bestuderen met deze detectoren, wetenschappers zullen meer leren over de rol die deze kleine deeltjes spelen in het universum.

Op de Fermilab-campus, de drie detectoren zullen verspringend langs een rechte lijn zitten, die elk een intense neutrinostraal aftasten. SBND, in opbouw, het dichtst bij de bron van de neutrinostraal zal zijn, slechts 110 meter verwijderd van het gebied waar protonen inslaan op een doelwit en een bundel muonneutrino's creëren. MicroBooNE, die begon met het verzamelen van gegevens in 2015, zit 360 meter van SBND, en ICARUS, waarvan de fysica dit najaar begint, zit 130 meter voorbij MicroBooNE.

Samen, deze detectoren zullen neutrino-oscillaties in ongekend detail bestuderen. In dit proces, een enkele neutrino kan verschuiven tussen de drie bekende neutrinotypes terwijl het door de ruimte reist. Als er een vierde type neutrino is of als neutrino's zich anders gedragen dan de huidige theorie voorspelt, wetenschappers verwachten bewijs voor deze nieuwe fysica te vinden in de neutrino-oscillatiepatronen die door de drie detectoren worden waargenomen.

Wanneer voltooid, de detector van de SBND wordt opgehangen in een kamer vol vloeibaar argon. Wanneer een neutrino de kamer binnenkomt en botst met een argonatoom, het zal een nevel van geladen deeltjes en licht uitzenden, die de detector zal opnemen. Deze signalen zullen wetenschappers de informatie verschaffen om een ​​nauwkeurig 3D-beeld te reconstrueren van de banen van alle deeltjes die voortkwamen uit een neutrino-argonbotsing.

"Je ziet een afbeelding die je zoveel details laat zien, en op zo'n kleine schaal, " zei wetenschapper Anne Schukraft, technisch coördinator van het project. "Als je het vergelijkt met experimenten van de vorige generatie, het opent echt een nieuwe wereld van wat je kunt leren."

Opladen

In batterijgevoede circuits, elektronen stromen tussen de negatieve en de positieve terminals. In SBND, de elektronen die worden geproduceerd na botsingen met neutrino's zullen het elektrische veld volgen dat in de detector wordt gecreëerd:twee anodevlakken en één negatief geladen kathodevlak. Dit is geen klein circuit, echter. Elk vliegtuig meet 5 bij 4 meter, en het elektrische veld tussen de kathode en elke anode zal 500 volt per centimeter zijn, met de kathode die maar liefst 100 geleidt, 000 volt.

De twee anodevlakken, elk gemaakt van delicate draden op een onderlinge afstand van 3 millimeter, zal twee tegenoverliggende zijwanden van de kubusvormige detector bedekken. Ze zullen de elektronen verzamelen die worden gecreëerd door deeltjes die vrijkomen bij botsingen in de detector, terwijl lichtsensoren erachter de fotonen opnemen, of lichtdeeltjes.

In het midden van de detector, een rechtopstaand vlak bedekt met reflecterende folie zal fungeren als de kathode. Het montageteam liet het zware kathodevlak eind juli op zijn plaats in het stalen frame van de detector zakken en verwacht begin oktober het eerste anodevlak te installeren. Tot installatie, elk van de lichtgevoelige lagen wordt bewaard in een speciaal gecontroleerd schoon gebied.

Wanneer volledig gemonteerd, de detector zal meer dan 100 ton wegen en gevuld zijn met argon op min 190 graden Celsius. Het hele apparaat zal in een cryostaat zitten, gemaakt van dik staal en isolatiepanelen die alles koud houden. Een ingewikkeld leidingsysteem circuleert en filtert het vloeibare argon om het schoon te houden.

Neutrino-wetenschappers, monteren

Verschillende groepen over de hele wereld, voornamelijk gevestigd in de Verenigde Staten, het VK., Brazilië en Zwitserland hebben de detectoronderdelen gebouwd en naar Fermilab verzonden. Maar het magazijnachtige gebouw waar het detectorframe wordt gemonteerd, is niet het eeuwige thuis van de detector.

Zodra de componenten zich in het stalen frame bevinden, het team zal de detector enkele kilometers over het Fermilab-terrein naar het SBND-gebouw vervoeren, waar bemanningen de cryostaat aan het bouwen zijn en waar de detector zijn gegevens daadwerkelijk gaat verzamelen. Schukraft schat dat SBND begin 2023 zijn datadebuut zal maken.

"Het goede aan SBND is dat we het helemaal opnieuw opbouwen, " zei Monica Nunes, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Syracuse. "Dus alles wat we over dit proces leren, zal echt nuttig zijn voor de volgende generatie neutrino-experimenten."

SBND zal MicroBooNE en ICARUS aanvullen als de trio-sondes voor fysica buiten het standaardmodel. Vooral, onderzoekers zoeken naar het steriele neutrino, een type neutrino dat geen interactie heeft met de zwakke kracht. Twee eerdere experimenten, de Liquid Scintillator Neutrino Detector bij Los Alamos National Lab en MiniBooNE bij Fermilab, ontdekte anomalieën die wijzen op het bestaan ​​van deze ongrijpbare deeltjes. Door te meten hoe neutrino's oscilleren en typen verschuiven, het SBN-programma heeft tot doel deze anomalieën te bevestigen of te betwisten en meer bewijs voor of tegen het bestaan ​​van steriele neutrino's toe te voegen.

"Het idee is om een ​​detector heel dicht bij de bron van neutrino's te monteren in de hoop dit soort neutrino's te vangen, " zei Roberto Acciarri, co-manager van de detectorassemblage. "Vervolgens, we hebben een verre detector en een in het midden, om te zien of we steriele neutrino's kunnen zien wanneer ze worden geproduceerd en wanneer ze wegoscilleren."

SBND-onderzoekers zullen ook met hoge precisie onderzoeken hoe neutrino's interageren met de argonatomen die de detector vullen. Omdat SBND zo dicht bij de oorsprong van de neutrinostraal zit, het zal meer dan een miljoen neutrino-argon-interacties per jaar registreren. De fysica van deze interacties is een belangrijk element van toekomstige neutrino-experimenten die vloeibare-argondetectoren zullen gebruiken, zoals het Deep Underground Neutrino-experiment.

"Het is geweldig om bijna dagelijks vooruitgang te zien, " zei Schukraft. "We wachten allemaal reikhalzend uit tot dit experiment gegevens begint te verzamelen."