In einem wichtigen Schritt für das internationale Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) haben Wissenschaftler mit einem DUNE-Prototyp-Teilchendetektor am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) des US-Energieministeriums die ersten Neutrinos nachgewiesen.
Die revolutionäre neue Technologie, die das Herzstück des neuen Detektor-Prototyps von DUNE bildet, ist LArPix, ein innovatives durchgehendes Pixelsensor- und Elektroniksystem, das Neutrino-Ereignisse in echtem 3D abbilden kann. Es wurde von einem Team aus Physikern und Ingenieuren des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) konzipiert, entworfen und gebaut und Anfang dieses Jahres im Fermilab installiert.
DUNE, das derzeit im Bau ist, wird das umfassendste Neutrinoexperiment der Welt sein. Es wird Wissenschaftlern ermöglichen, neue Bereiche der Neutrinoforschung zu erkunden und möglicherweise einige der größten physikalischen Rätsel des Universums zu lösen, darunter die Suche nach dem Ursprung der Materie und das Erforschen von Supernovas und der Entstehung schwarzer Löcher.
Da DUNE über neue Designs und Technologien verfügen wird, testen Wissenschaftler Prototypen von Geräten und Komponenten zur Vorbereitung der endgültigen Detektorinstallation. Im Februar schloss das DUNE-Team die Installation seines neuesten Detektorprototypen im Pfad einer bestehenden Neutrino-Strahllinie am Fermilab ab. Am 10. Juli gab das Team bekannt, dass es seine ersten beschleunigerproduzierten Neutrinos im Detektorprototyp erfolgreich aufgezeichnet habe, ein Schritt zur Validierung des Designs.
„Dies ist ein wirklich bedeutsamer Meilenstein, der das Potenzial dieser Technologie demonstriert“, sagte Louise Suter, eine Wissenschaftlerin von Fermilab, die die Modulinstallation koordinierte. „Es ist fantastisch, diese Bestätigung der harten Arbeit zu sehen, die in die Entwicklung, den Bau und die Installation des Detektors gesteckt wurde.“
Berkeley Lab leitet die technische Integration des neuen Neutrino-Erkennungssystems, das Teil des Detektorkomplexes von DUNE ist, der auf dem Fermilab-Gelände gebaut wird. Sein Prototyp – bekannt als 2×2-Prototyp, da er aus vier quadratisch angeordneten Modulen besteht – zeichnet Teilchenspuren mit Zeitprojektionskammern aus flüssigem Argon auf.
„DUNE benötigte einen Flüssigargon-TPC-Detektor (LArTPC), der eine Umgebung mit hoher Intensität verträgt, aber das galt als unmöglich“, sagte Dan Dwyer, Leiter der Neutrino Physics Group des Berkeley Lab und technischer Leiter des Projekts für das ND-LAr-Konsortium, das wichtige Elemente zum Design und zur Herstellung des neuen Systems beitrug. „Mit der Erfindung von LArPix hat unser Team bei LBNL diesen Traum Wirklichkeit werden lassen. Der jetzt bei DUNE installierte 2×2-Demonstrator kombiniert unsere echte 3D-Anzeige mit Lichtdetektoren mit hoher Abdeckung und erzeugt so einen wirklich innovativen Partikeldetektor.“
Brooke Russell, früher Chamberlain Postdoctoral Fellow am Berkeley Lab und jetzt Neil and Jane Pappalardo Special Fellow in Physics am MIT, spielte eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung des 2×2-Prototyps, den sie als „einen einzigartigen Detektor mit mehr als 337.000 einzelnen ladungsempfindlichen Pixeln mit einer Auflösung von etwa 4 Millimetern“ beschreibt. Berkeley Lab leitete während der COVID-19-Pandemie die Entwicklung, Konstruktion und Erprobung des durchgängigen pixelierten Ladungsauslesesystems.
„Der Betrieb des 2×2-Prototyps in einem Neutrinostrahl wird eine neue Ära hochpräziser, dreidimensionaler LArTPC-Bilder für Neutrino-Wechselwirkungsmessungen einläuten“, sagte Russell.
Die endgültige Version des DUNE-Nahdetektors wird 35 Flüssigargonmodule enthalten, die jeweils größer sind als die des Prototyps. Die Module werden helfen, den enormen Neutrinostrom zu steuern, der am nahen Standort erwartet wird.
Der 2×2-Prototyp implementiert neuartige Technologien, die ein neues Regime detaillierter, hochmoderner Neutrino-Bildgebung ermöglichen, um den einzigartigen Bedingungen in DUNE gerecht zu werden. Er verfügt über ein millimetergroßes Pixel-Auslesesystem, das von einem Team am Berkeley Lab entwickelt wurde und hochpräzise 3D-Bildgebung im großen Maßstab ermöglicht. Dies, gepaart mit seinem modularen Design, unterscheidet den Prototyp von früheren Neutrinodetektoren wie ICARUS und MicroBooNE.
Nun liefert der 2×2-Prototyp die ersten Beschleuniger-Neutrino-Daten, die von der DUNE-Kollaboration analysiert und veröffentlicht werden.
DUNE ist auf zwei Standorte aufgeteilt, die Hunderte von Meilen voneinander entfernt sind: Ein Neutrinostrahl mit Ursprung am Fermilab in der Nähe von Chicago wird einen Teilchendetektor auf dem Fermilab-Gelände passieren und dann 800 Meilen durch den Boden zu mehreren riesigen Detektoren in der Sanford Underground Research Facility (SURF) in South Dakota zurücklegen.
Der DUNE-Detektor am Fermilab wird den Neutrinostrahl in der Nähe seines Ursprungs analysieren, wo der Strahl extrem intensiv ist. Die Mitarbeiter erwarten, dass dieser nahe Detektor etwa 50 Wechselwirkungen pro Puls aufzeichnet, was jede Sekunde passieren wird, was Hunderte Millionen Neutrino-Erkennungen während der voraussichtlich vielen Betriebsjahre von DUNE ausmacht. Wissenschaftler werden DUNE auch verwenden, um das Antimaterie-Gegenstück der Neutrinos, die Antineutrinos, zu untersuchen.
Dieser beispiellose Strom von Neutrinos und Antineutrinos, die im Beschleuniger erzeugt werden, wird DUNEs ehrgeizige wissenschaftliche Ziele ermöglichen. Physiker werden die Teilchen mit DUNEs Nah- und Ferndetektoren untersuchen, um mehr darüber zu erfahren, wie sie während ihrer Reise ihren Typ ändern, ein Phänomen, das als Neutrinooszillation bekannt ist. Indem sie nach Unterschieden zwischen Neutrinooszillationen und Antineutrinooszillationen suchen, werden Physiker nach Beweisen für eine gebrochene Symmetrie suchen, die als CP-Verletzung bekannt ist, um festzustellen, ob Neutrinos für die Vorherrschaft der Materie in unserem Universum verantwortlich sein könnten.
Die DUNE-Kollaboration besteht aus mehr als 1.400 Wissenschaftlern und Ingenieuren aus über 200 Forschungseinrichtungen. Fast 40 dieser Einrichtungen arbeiten am Nahdetektor. Insbesondere die Hardware-Entwicklung des 2×2-Prototyps wurde von der Universität Bern in der Schweiz, dem Fermilab des DOE, dem Berkeley Lab und dem SLAC National Accelerator Laboratory geleitet, mit bedeutenden Beiträgen vieler Universitäten.
„Der 2×2-Demonstrator war ein echtes Herzensanliegen“, sagte Dwyer. „Es begann mit ein paar engagierten Teams, die das Potenzial dieser neuartigen Technologien erkannten, um daraus einen außergewöhnlichen Teilchendetektor zu machen. Jetzt, wo das Projekt voranschreitet, sind die Ergebnisse sehr beeindruckend und diese spektakulären Bilder vom 2×2-Demonstrator beweisen, dass wir auf dem richtigen Weg waren.“
„Es ist wunderbar, den Erfolg der Technologie zu sehen, die wir zur Messung von Neutrinos in einem so hochintensiven Strahl entwickelt haben“, sagte Michele Weber, Professorin an der Universität Bern – wo das Konzept des modularen Designs geboren wurde und wo die vier Module zusammengebaut und getestet wurden –, die die Arbeit hinter dem neuen Partikelerkennungssystem leitet. „Eine erfolgreiche Demonstration der Fähigkeit dieser Technologie, mehrere Neutrino-Wechselwirkungen gleichzeitig aufzuzeichnen, wird den Weg für den Bau des DUNE-Flüssigargon-Nahdetektors ebnen.“
Nächste Schritte
Das Testen des 2×2-Prototyps ist notwendig, um zu zeigen, dass das innovative Design und die Technologie im großen Maßstab wirksam sind, um die Anforderungen des Nahdetektors zu erfüllen. Ein modularer Flüssigargondetektor, der hohe Neutrino- und Antineutrinoraten erkennen kann, wurde noch nie zuvor gebaut oder getestet.
Die bestehende Fermilab-Strahllinie ist ein idealer Ort für Tests und bietet Forschern eine spannende Gelegenheit, diese mysteriösen Teilchen zu messen. Sie läuft derzeit im „Antineutrino-Modus“, daher werden die DUNE-Wissenschaftler den 2×2-Prototyp verwenden, um die Wechselwirkungen zwischen Antineutrinos und Argon zu untersuchen.
Wenn Antineutrinos auf Argonatome treffen, wie es im argongefüllten Nahdetektor der Fall ist, interagieren sie und erzeugen andere Teilchen. Der Prototyp wird beobachten, welche Arten von Teilchen erzeugt werden und wie oft. Das Studium dieser Antineutrino-Wechselwirkungen wird Wissenschaftler darauf vorbereiten, Neutrino- und Antineutrino-Oszillationen mit DUNE zu vergleichen.
„Die Analyse dieser Daten ist eine großartige Gelegenheit für unsere Nachwuchswissenschaftler, Erfahrungen zu sammeln“, sagte Kevin Wood, der Koordinator des ersten Durchlaufs für den 2×2-Prototyp und Chamberlain-Postdoktorand am Berkeley Lab, wo das neuartige Auslesesystem des Prototyps entwickelt wurde. „Die vom 2×2-Prototyp abgebildeten Neutrino-Wechselwirkungen werden einen mit Spannung erwarteten Datensatz für unsere Doktoranden, Postdoktoranden und andere junge Mitarbeiter liefern, den sie analysieren können, während wir uns weiter darauf vorbereiten, DUNE online zu bringen.“
Die DUNE-Kollaboration plant, den 2×2-Prototyp mehrere Monate lang mit Neutrinos aus dem Fermilab-Strahl zu bombardieren.
Sergio Bertolucci, Professor für Physik an der Universität Bologna in Italien und Co-Sprecher von DUNE zusammen mit Mary Bishai vom Brookhaven National Laboratory, sagte: „Dies ist ein aufregender Meilenstein für das 2×2-Team und die gesamte DUNE-Zusammenarbeit. Dies soll die erste von vielen Neutrino-Interaktionen für DUNE sein.“