Die Vorbereitungen für den Bau des ersten Detektormoduls des Deep Underground Neutrino Experiment schreiten zügig voran. Mitglieder der internationalen DUNE-Kollaboration haben mit den abschließenden Tests von Detektorkomponenten begonnen, die nach South Dakota verschifft werden. Dort werden sie Teil eines einzigartigen Experiments, das entwickelt wurde, um einige der schwer fassbaren Teilchen im Universum zu untersuchen: Neutrinos.
DUNE ist ein Experiment zur Erforschung der Natur von Neutrinos. Wissenschaftler hoffen, dass die Entschlüsselung der Geheimnisse dieser Teilchen einige der größten Geheimnisse der Physik ans Licht bringen wird, beispielsweise warum das Universum aus Materie besteht und wie Neutronensterne und Schwarze Löcher nach explodierenden Sternen entstehen.
DUNE, das vom Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums gehostet wird, wird an zwei Standorten untergebracht sein: am Fermilab-Standort in Illinois und in der Sanford Underground Research Facility in South Dakota. Der Ferndetektor, eine riesige Struktur, die letztendlich aus vier Modulen bestehen soll, wird sich 1,5 Kilometer unter der Erde bei SURF befinden. Jedes Modul wird eine Flüssig-Argon-Zeitprojektionskammer oder LArTPC sein, die mit 17.000 Tonnen Argon gefüllt werden soll, einem Element, das häufig in der Luft vorkommt und sich ideal zum Studium von Neutrinos eignet.
Das erste DUNE-Detektormodul, das bei SURF gebaut wird, wird die Horizontaldrift-Technologie verwenden. Wenn Neutrinos mit den Argonatomen im Inneren des Moduls kollidieren, erzeugen sie geladene Teilchen. Diese geladenen Teilchen schlagen Elektronen heraus, wenn sie durch das Argon wandern. Die Elektronen werden durch ein starkes elektrisches Feld zu Anodenebenenanordnungen oder APAs angezogen, die a aufzeichnen Projektion, wo die Elektronen erzeugt wurden. Durch die Messung des Zeitpunkts, zu dem Elektronen auf die APAs treffen, können Wissenschaftler rekonstruieren dreidimensionale Partikelspuren.
Nach der Fertigstellung wird das erste Detektormodul 150 APAs enthalten, von denen jede eine große rechteckige Fläche von etwa 2,3 Meter mal 6 Meter Größe hat und aus eng gewickelten Kupfer-Beryllium-Drähten besteht. „Wir werden eine Wand effektiv mit einem Drahtgitter verputzen“, sagte Justin Evans, Professor für Physik an der Universität Manchester. Er leitet die Bemühungen zum Aufbau von APAs im Vereinigten Königreich
Die Technik für das erste Modul war in abgespeckter Version erfolgreich getestet namens ProtoDUNE auf der CERN Neutrino-Plattform im Jahr 2019. Obwohl es nur ein Zwanzigstel der Größe des endgültigen DUNE-Detektormoduls ausmachte, war es immer noch das größte LArTPC, das jemals gebaut und betrieben wurde.
„Das war das erste Mal, dass wir in Großbritannien eines dieser Drahtgitter gebaut und Daten von ihnen genommen haben“, sagte Evans. „Und sie haben wunderbar funktioniert.“
Der Horizontaldrift-Prototyp bewies nicht nur, dass die Detektortechnologie funktionieren würde, sondern zeigte auch, wo Designverbesserungen vorgenommen werden könnten. Vor diesem Hintergrund haben Wissenschaftler ProtoDUNE II entwickelt, einen verbesserten Prototyp, der dieses Jahr am CERN getestet wird.
„Mit einem Prototypen lernt man immer etwas“, sagte Thomas Wieber, Leiter des Installationsteams am CERN. „Wir wollen beweisen, dass das, was wir für besser halten, tatsächlich besser funktioniert.“
DUNE-Wissenschaftler arbeiten auch an der Entwicklung der Technologie für einen vertikalen Driftdetektor, der die geplante Technologie für das zweite Ferndetektormodul ist. Vorbereitungen zum Testen der neuen Technologie in einem separaten Prototyp-Detektor, bekannt als vertikales Driftmodul-0sind auch am CERN im Gange.
Testen des gesamten Montageprozesses
Das Testen aller Aspekte der horizontalen Driftmodulbaugruppe beinhaltet auch sicherzustellen, dass alle Detektorkomponenten, die von DUNE-Mitarbeitern auf der ganzen Welt stammen, sicher ankommen. Um sicherzustellen, dass dieser Prozess reibungslos verläuft, diente ProtoDUNE II auch als Testumgebung für den Installationsprozess. Die an der Herstellung der Detektorkomponenten beteiligten Gruppen brachten alle ihre Testteile am CERN zusammen, um den Prototyp zusammenzubauen und zu testen.
„Wir hatten Mitarbeiter aus der ganzen Welt“, sagte Daniela Macina, die Installationskoordinatorin für den Horizontaldrift-Detektor am CERN. „Dies ist das erste Mal, dass wir die letzten DUNE-Horizontaldriftdetektoren alle zusammen integriert und installiert haben.“
ProtoDUNE II enthält vier APAs. Alle vier wurden in einer mit superkaltem, gasförmigem Stickstoff gefüllten Coldbox getestet, um sicherzustellen, dass die Elektronik bei kalten Temperaturen einwandfrei funktioniert. Alle vier APAs haben den Test bestanden. Sie wurden dann zusammen mit anderen Teilen des Prototyps im ProtoDUNE II-Kryostaten zusammengebaut. Zu diesen Teilen gehören die Elektronik und Lichtsensoren, die Photonen identifizieren, die freigesetzt werden, wenn Neutrinos mit dem flüssigen Argon im Detektor interagieren.
„Wir mussten die Dinge nach einem Verfahren zusammenbauen, das dem in South Dakota so ähnlich wie möglich ist“, sagte Macina.
Später in diesem Jahr wird das Team ProtoDUNE II mit flüssigem Argon füllen und einen Partikelstrahl durch den Detektor schießen, um ihn zu testen. „Wir erwarten keine großen Überraschungen, da es zwischen ProtoDUNE und ProtoDUNE II nur geringfügige Änderungen gab“, sagte Macina.
Während die letzten Arbeiten an ProtoDUNE II am CERN stattfinden, fahren die Wissenschaftler auch die Produktion der APAs hoch, die am SURF installiert werden. Von den 150 APAs, die im ersten Modul des Ferndetektors installiert werden, werden 136 APAs im Daresbury Laboratory im Vereinigten Königreich und weitere 14 an der University of Chicago hergestellt.
Um die Massenproduktion dieser Teile zu unterstützen, hat das Daresbury Laboratory im Vereinigten Königreich eine APA-Fabrik errichtet, in der das Team vier Produktionslinien mit jeweils sechs Meter langen Maschinen zum Wickeln der Drähte um Stahlrahmen zur Herstellung der APAs eingerichtet hat.
„Wir haben vier davon eingerichtet, die alle parallel arbeiten“, sagte Evans. „Wir versuchen, den Punkt zu erreichen, an dem jede Produktionslinie alle zwei Monate ein APA produzieren kann.“
Versand von Detektorkomponenten nach South Dakota
Aktivitäten im Zusammenhang mit der Detektorinstallation haben auch in South Dakota begonnen, wo die Ausgrabung der Kavernen für den DUNE-Ferndetektor zu etwa 60 % abgeschlossen ist. Anfang November schickte das Team einen der APAs des ersten Prototyps am CERN für einen Logistiktest an SURF. Der Transport der langen, rechteckigen APA von Europa in die Vereinigten Staaten, das Abladen der Struktur und das anschließende Absenken durch einen relativ engen Minenschacht eine Meile unter der Erde war erfolgreich abgeschlossen.
„Wir verwenden ältere APAs, um diese Verfahren zu validieren, damit wir nichts beschädigen, wenn wir anfangen, die echten APAs zu SURF zu bringen“, sagte Fermilab-Wissenschaftler Eric James, ein technischer Koordinator, der sich auf den horizontalen Driftdetektor von DUNE konzentriert.
Trotz aller Details, die ausgearbeitet werden müssen, um das erste DUNE-Detektormodul zum Leben zu erwecken, verlieren die DUNE-Wissenschaftler ihr Endziel nicht aus den Augen: die Erforschung einer neuen Grenze der Neutrinowissenschaft.
„Ich bin sehr gespannt, was wir sehen werden, wenn wir dieses Ding einschalten“, sagte Evans. „Es gibt so viel, was uns das Neutrino über das Universum sagen kann.“