In den letzten Monaten war die Neutrino-Forschungsanlage des europäischen Labors CERN geschäftig. Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker aus der ganzen Welt haben sich dort versammelt, um einen großen Prototypen eines neuen Teilchendetektors zusammenzubauen, um das Neutrino zu untersuchen, eine der mysteriösesten Arten von Teilchen im Universum.
Neutrinos sind überall, aber sie interagieren selten mit Materie. Jede Sekunde durchqueren Billionen dieser Partikel unseren Körper und verlassen ihn spurlos. Durch die Untersuchung dieser geisterhaften Teilchen hoffen Physiker, Fragen zu beantworten wie: Warum besteht das Universum aus Materie? Welche Beziehung besteht zwischen den vier Naturgewalten? Wie entstehen Schwarze Löcher nach einer Sternexplosion?
Forscher arbeiten an der internationalen Tief unterirdisches Neutrino-Experiment, das vom Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums veranstaltet wird, hoffen, diese Rätsel zu lösen. Ihre Arbeit am Prototyp-Detektor am CERN bringt sie diesem Ziel einen Schritt näher.
Die für DUNE benötigte Infrastruktur ist umfangreich. Es umfasst einen neuen Teilchenbeschleuniger bei Fermilab, der einen Neutrinostrahl erzeugen wird, der 1.300 Kilometer durch die Erde dringen wird, bevor er die Sanford Underground Research Facility in South Dakota erreicht. Bei SURF werden diese Partikel vom DUNE-Ferndetektor begrüßt, einem gigantischen unterirdischen Detektor, der 1,5 Kilometer unter der Oberfläche untergebracht ist. Der Detektor wird aus riesigen Detektormodulen bestehen, die Argon enthalten, ein Element, das aufgrund seiner äußerst stabilen Natur perfekt für die Untersuchung von Neutrinos geeignet ist. Ausgrabung der unterirdischen Kavernen für den DUNE-Ferndetektor ist etwa 60% fertig.
Neue Technologie testen
Mitglieder der DUNE-Kollaboration, die Wissenschaftler und Ingenieure aus mehr als 35 Ländern umfasst, sind damit beschäftigt, die Komponenten der ersten beiden DUNE-Detektormodule zu entwerfen, zu testen und zu bauen, die bei SURF installiert werden sollen. Modul eins wird a sein Horizontaldrift-Detektor, das auf einer bewährten Technik basiert, die für DUNE hochskaliert wird. Die Massenproduktion von Komponenten für dieses erste Modul hat bereits begonnen. Das zweite Modul, bekannt als Vertical Drift Detector, wird mit neuer Technologie ausgestattet sein. Die Tests wurden in den letzten zwei Jahren fortgesetzt.
„Ich erwarte spannende Physik sowohl von den horizontalen als auch von den vertikalen Driftdetektoren“, sagte Steve Kettell, der technische Koordinator für den vertikalen Driftdetektor am Brookhaven National Laboratory des DOE. „Aber die Vertikaldrift-Technologie eröffnet erhebliche Möglichkeiten für den Bau zusätzlicher Detektoren, die kostengünstiger und einfacher zu installieren sind.“
Horizontal vs. vertikal
Grundsätzlich funktionieren horizontale und vertikale Driftdetektoren auf die gleiche Weise. Wenn ein Neutrino mit einem Argonatom in der mit flüssigem Argon gefüllten Kammer des Detektors wechselwirkt, setzen die bei dieser Wechselwirkung erzeugten Teilchen Elektronen frei. Ein starkes elektrisches Feld zwischen gegenüberliegenden Seiten der Detektorkammer drückt diese losen Elektronen zu einer Anode, einer großen Struktur, die die Ankunft geladener Teilchen erkennt. In einem Horizontaldriftdetektor existiert das elektrische Feld zwischen zwei gegenüberliegenden Wänden und die Elektronen driften horizontal; Bei einem Vertikaldriftdetektor verläuft das elektrische Feld zwischen der Unterseite und der Oberseite des Detektors, und die Elektronen driften vertikal. Die Argon-Neutrino-Wechselwirkung erzeugt auch einen kurzen Lichtblitz, den beide Detektoren mit einem separaten Photonen-Detektionssystem einfangen.
„Grundsätzlich gibt es keinen Unterschied zwischen vertikaler Drift und horizontaler Drift“, erklärte Kettell. „Wir erkennen Neutrino-Ereignisse im Wesentlichen auf die gleiche Weise.“
Die Unterschiede liegen im Detail. Die Anode des Horizontaldriftdetektors besteht aus großen Ebenen eng gewickelter Drähte, die als Anodenebenenbaugruppen oder APAs bekannt sind. Sie sind 6 Meter hoch und 2,3 Meter breit. Die Anode des Vertikaldriftdetektors besteht andererseits aus Ladungsausleseebenen oder CRPs. Das sind große, 3 Meter mal 3,5 Meter große, perforierte Leiterplatten, auf deren Oberfläche Kupferstreifen aufgedruckt sind. Wie die Drähte in den APAs sammeln die Kupferstreifen in den CRPs die driftenden Elektronen.
Der vertikale Driftdetektor von DUNE wird oben und unten mit mehrschichtigen CRPs ausgestattet sein. „Die CRPs haben 2,5-Millimeter-Löcher perforiert, sodass elektrische Ladungen hindurchtreten und in einer anderen Schicht gesammelt werden können“, sagte Dominique Duchesneau, Leiter des CRP-Konsortiums und Physiker am französischen Nationalzentrum für wissenschaftliche Forschung. Jede CFK-Schicht hat unterschiedlich orientierte Kupferstreifen, fügte er hinzu, was „Ihnen die Möglichkeit gibt, mehrere Ansichten der Elektronen zu haben“.
Ein wesentlicher Vorteil von CRPs besteht darin, dass sie billiger und einfacher herzustellen und zu installieren sind als APAs, da sie aus einfachen metallbeschichteten Leiterplatten und nicht aus einer engen Drahtspule bestehen.
„Mit dem Detektor für vertikale Drift versuchen wir zu zeigen, dass wir einen weniger teuren Detektor bauen können, der genauso gut funktioniert“, sagte Kettell.
Da die Vertikaldrift-Detektortechnologie weniger Elemente erfordert als die Horizontaldrift, stellt sie ein größeres aktives Volumen bereit. Ein größeres aktives Volumen bedeutet, dass es mehr Raum geben wird, in dem Partikelwechselwirkungen gesammelt werden können, sagte Inés Gil-Botella, eine DUNE-Physikkoordinatorin am Zentrum für Energie-, Umwelt- und Technologieforschung in Spanien. „Sie maximieren die Möglichkeit, Neutrino-Wechselwirkungen in diesem flüssigen Argon zu sehen.“
Eine weitere Innovation ist das Photonen-Erkennungssystem, das DUNE-Wissenschaftler für den Vertikaldrift-Detektor bauen wollen, ein Upgrade des ARAPUCA-Technologie entwickelt für das erste DUNE Ferndetektormodul. Dieses neue System wird alle vier Kryostatwände sowie die Kathode mit Photonenerkennungsmodulen abdecken. (Im Gegensatz dazu sind beim Horizontal-Drift-Detektor nur die Photonendetektoren in die APA-Ebenen hinter den Drähten eingebettet.) Zur Stromversorgung und zum Auslesen der Fotosensoren an der Hochspannungskathode, die auf 300 Kilovolt eingestellt ist, die Vertikale drift team verwendet einen leistungsstarken Laser, der Strom über Glasfasern liefert.
Darüber hinaus wird das Argon im Vertikaldriftdetektor mit Xenon dotiert, um die Anzahl der Photonen zu erhöhen, die erkannt werden, wenn Partikel mit Atomen in der Flüssigkeit interagieren, und um die Gleichmäßigkeit der Lichterkennung in der gesamten Kammer zu verbessern. Zusammen werden diese Merkmale dieses Photonenerkennungssystem besser in der Lage machen, niederenergetische physikalische Ereignisse zu erkennen, wie sie beispielsweise durch Supernovae oder solare Neutrino-Ereignisse ausgelöst werden, sagte Gil-Botella.
Geschäftiges Treiben
Das Team, das am Vertikaldriftdetektor DUNE arbeitet, kommt aus der ganzen Welt. Wichtige Beiträge werden von CERN, Frankreich, Italien, Spanien und den USA geleistet, aber Mitglieder kommen auch aus mehreren anderen Ländern in Europa, Asien und Lateinamerika. „Es gab an vielen Fronten enorme Fortschritte“, sagte Kettell.
Diese Gruppe war beschäftigt. Bisher haben sie erfolgreich kleine, 32 Zentimeter mal 32 Zentimeter große CRPs in einer mit flüssigem Argon gefüllten 50-Liter-Kammer getestet, die mit einer Kathode, Elektronik und einem Photonenerkennungssystem ausgestattet ist. Dieser frühe Prototyp war in der Lage, Daten von Spuren kosmischer Strahlung mit „guter Signal-Rausch-Leistung“ zu sammeln, sagte Kettell. Sie haben auch 3 x 3,5 Meter große CRPs in voller Größe mit der Kathode, der Elektronik und dem Photonenerkennungssystem in einer großen Coldbox am CERN getestet.
Das Team hat gezeigt, dass die Komponenten des vertikalen Driftdetektors Signale bei 300 Kilovolt auslesen können – der Hochspannung, die für die Erzeugung des elektrischen Felds im DUNE-Detektor in voller Größe benötigt wird. Sie haben auch gezeigt, dass Elektronen sechs Meter driften können – die maximale Entfernung, die Elektronen im Modul der endgültigen Größe zurücklegen – und die CRPs verwenden, um diese Spuren zu empfangen. „Der nächste große Meilenstein, dem wir gegenüberstehen, ist die Installation aller Systeme zusammen in größerem Maßstab“, sagte Gil-Botella.
Das Team baut jetzt Teile zu einem größeren Vertikaldrift-Prototyp zusammen, der als „Vertikaldriftmodul-0“ bezeichnet wird, in einem großen kryogenen Behälter am CERN, etwa so groß wie ein kleines Haus. Dieser Prototyp wird zwei CRPs in voller Größe sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite des Detektors enthalten, wobei die Kathode in der Mitte installiert ist, sowie ein fortschrittliches Photonenerkennungssystem. In der oberen Hälfte des Detektors losgeschlagene Elektronen driften nach oben zum CRP-Satz oben, und in der unteren Hälfte erzeugte Elektronen driften nach unten, bis sie die CRP-Schichten unten erreichen. Die CRP-Entwicklung wurde von Frankreich angeführt, mit dem Bau der Top-CRPs in Frankreich und der unteren CRPs in den USA
Die DUNE-Forscher wollen die Installation des Vertikaldrift-Prototyp-Detektors im Frühjahr 2023 abschließen. Nach Fertigstellung wird das Team den Detektor mit flüssigem Argon füllen und einschalten, damit Wissenschaftler die Spuren beobachten können, die Teilchenstrahlen und kosmische Strahlen hinterlassen durchgehen.
Letztendlich ist es das Ziel, die Komponenten des Vertikaldrift-Detektors fertig zu haben, um im Jahr 2027 in einer der großen Kavernen in South Dakota installiert zu werden.
„Was ich wirklich gerne sehen würde, ist die Installation der ersten CRPs im großen Kryostaten bei SURF, die in einigen Jahren erfolgen wird“, sagte Duchesneau. „In der Zwischenzeit denke ich, dass das Ausführen von Modul-0 und das Erfassen von Daten in der realen Konfiguration der vertikalen Drift ein sehr aufregender Schritt ist.“