Bauarbeiter haben die Ausgrabung der riesigen Höhlen abgeschlossen, in denen das internationale Deep Underground Neutrino Experiment untergebracht werden soll. Während Ingenieure und Techniker die Installation der gigantischen Neutrinodetektoren in diesen 1,6 Kilometer unter der Erde vorbereiten, arbeiten Wissenschaftler auf der ganzen Welt an der Optimierung der Teilchendetektortechnologie von DUNE.
Von neuen Photonenerkennungssystemen bis hin zu verbesserten Detektordesigns verfeinern Forscher Geräte und Technologien, um die Neutrinodetektoren von DUNE – Zeitprojektionskammern mit Flüssigargon – für präzise Neutrinomessungen so gut wie möglich zu machen.
Auch die Reinheit des flüssigen Argons in den DUNE-Kryostaten, die für die Beobachtung von Teilchen und Licht, das durch Neutrino-Wechselwirkungen in der Flüssigkeit entsteht, entscheidend ist, könnte verbessert werden. Ein interdisziplinäres Forscherteam in Brasilien hat entdeckt, dass ein Filtermedium, das üblicherweise in industriellen Anwendungen verwendet wird, Stickstoffverunreinigungen in flüssigem Argon herausfiltern kann. Zukünftige groß angelegte Tests werden zeigen, ob diese vielversprechende Methode für DUNE anwendbar sein könnte.
„Wir begannen mit dem Ziel, neue Materialien zu finden, die Sauerstoff und Wasser effizienter einfangen können“, sagte der leitende Forscher Pascoal Pagliuso, Physikprofessor am „Gleb Wataghin“-Institut für Physik der Unicamp in Campinas-São Paulo. „Wir beschlossen, auch einen Weg zu finden, Stickstoff einzufangen. Und das ist uns gelungen.“
Neutrinos sind die häufigsten Materieteilchen im Universum, doch sie sind schwer zu entdecken. Damit die DUNE-Wissenschaftler einige der Neutrinos beobachten können, die durch ihre riesigen Teilchendetektoren fliegen, müssen die Neutrinos mit etwas interagieren.
Im Fall von DUNE, das am Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums betrieben wird, werden Neutrinos mit Argonatomen kollidieren. Der Prozess erzeugt Sekundärteilchen, die Elektronen freisetzen und kurze Szintillationslichtblitze aussenden.
Instrumente können die Elektronen und das Licht aufzeichnen, sodass Wissenschaftler die durch die Kollisionen erzeugten Partikel und Spuren identifizieren und rekonstruieren können. Damit diese Messung jedoch möglich ist, müssen die Partikel einen freien, ungehinderten Weg durch das flüssige Argon bis zu den Detektionsgeräten haben. Insbesondere muss das flüssige Argon ultrarein sein und darf nur wenige Atome anderer Elemente enthalten, die Elektronen oder Licht absorbieren könnten.
Eine knifflige Herausforderung
Forscher und Ingenieure stellen sicher, dass das flüssige Argon in den Detektoren so rein wie möglich ist, indem sie Verunreinigungen wie Wasser und Sauerstoff herausfiltern. Dies sind zwei der häufigsten Verunreinigungen. Es gibt jedoch noch eine dritte Verunreinigung, die häufig vorkommt: Stickstoff. Während Neutrinoforscher über bewährte Methoden verfügen, um Wasser und Sauerstoff herauszufiltern, war es eine Herausforderung, den Stickstoffgehalt unter die von kommerziellen Anbietern bereitgestellten Werte zu senken.
Stickstoff kann die Ergebnisse von Experimenten erheblich beeinflussen – bis zu 20 % des Szintillationslichts können verloren gehen, selbst wenn in flüssigem Argon nur ein Teil pro Million Stickstoff vorhanden ist. Bei anspruchsvollen Experimenten wie DUNE ist die Sicherstellung der Qualität aller Detektorkomponenten und -materialien zur Erzielung bester Ergebnisse von entscheidender Bedeutung, um mehr über Neutrinos und ihre Rolle in der subatomaren Welt herauszufinden.
Fermilab verwendet derzeit ein Molekularsieb und ein Kupfermaterial, um Wasser bzw. Sauerstoff herauszufiltern; keines dieser Materialien kann jedoch Stickstoff aus flüssigem Argon gewinnen.
Unter der Leitung von Pagliuso haben brasilianische Forscher einen Weg gefunden, selbst geringe Stickstoffverunreinigungen in flüssigem Argon zu reduzieren. Sein interdisziplinäres Team aus Physikern und Ingenieuren hat ein Material gefunden, das sowohl Stickstoff als auch Wasser entfernt.
In Kombination mit einem Filtermedium wie dem von Fermilab verwendeten Kupfermaterial kann das Medium die drei häufigsten Verunreinigungen aus flüssigem Argon entfernen und so sicherstellen, dass das Argon für Neutrinoexperimente so rein wie möglich ist.
Das Material ist als Lithium-FAU bekannt, ein Faujasit-LiX-Zeolith. Diese Art von Alumosilikatmaterial wird industriell bei der Erdölraffination und Luftreinigung eingesetzt. Das brasilianische Team entdeckte, dass es auch die Fähigkeit besitzt, Stickstoff durch Adsorption aus flüssigem Argon zu entfernen. „Es ist, als ob man ein Medikament für eine Krankheit hätte und entdeckt, dass es auch bei einer anderen Krankheit wirkt“, sagte Pagliuso.
Wenn Zeolithe als Adsorptionsmittel zur Verfeinerung oder Reinigung von Flüssigkeiten und Gasen verwendet werden, ziehen sie bestimmte Partikel an, die an ihrer Oberfläche haften bleiben, während andere durch die Kristallstruktur hindurchdringen. Dieses Konzept gilt auch, wenn man Silicagel-Päckchen in neue Schuhe legt, um Feuchtigkeit zu binden: Wasser haftet an der Oberfläche der Silicagel-Kügelchen, sodass die Feuchtigkeit die Schuhe nicht beschädigt.
In diesem Fall interagieren die Stickstoffmoleküle mit den positiv geladenen Ionen im Zeolith; die Größe der Lithiummoleküle ist klein genug, um Platz für die Aufnahme des Stickstoffs und ein von Verunreinigungen freies Fließen des flüssigen Argons zu lassen.
Die Abteilung für Chemieingenieurwesen des Forschungsteams am Unicamp entwickelte Simulationen zur Vorhersage der Stickstoffadsorption durch Li-FAU und lieferte den DUNE-Experimentatoren damit den notwendigen Rahmen für die Prüfung der Leistung des Mediums in der spezifischen Umgebung von flüssigem Argon in einem Kryostaten.
„Die Vorhersage des Filterverhaltens ist wichtig, um die Kapazität des Filters zu bestimmen“, sagte Dirceu Noriler, Professor und Direktor der Fakultät für Chemieingenieurwesen an der Unicamp. „Wir haben den Ingenieuren bei der Entwicklung des Filters geholfen, indem wir die Sättigungszeit und die Anzahl der Zyklen spezifiziert haben, die zum Erreichen der erforderlichen Reinheit erforderlich sind.“
Erfolgreiche Tests
Forscher und Ingenieure testeten das Medium zunächst im relativ kleinen Liquid Argon Purification Cryostat bei Unicamp mit etwa 90 Litern flüssigem Argon. Ihre erfolgreichen Ergebnisse stimmten mit den Simulationen überein, die Noriler und sein Team entwickelt hatten.
Weitere Tests fanden im vergangenen Herbst am 3.000 Liter fassenden ICEBERG-Teststand in der Noble Liquid Test Facility von Fermilab statt, der für diesen speziellen Test mit 2.625 Litern flüssigem Argon gefüllt war. Die Ergebnisse bestätigten die Fähigkeit von Li-FAU, Stickstoff in größerem Maßstab aus flüssigem Argon zu entfernen.
„Die Noble Liquid Test Facility hier am Fermilab unterstützt alle Arten von Forschung und Entwicklung im Bereich Flüssigargondetektoren und wir sind mit den Ergebnissen sehr zufrieden. Wir beabsichtigen, Li-FAU so bald wie möglich zur Einrichtung hinzuzufügen, damit neben DUNE auch alle Projekte, die an der Verbesserung von Lichtsammelsystemen arbeiten, davon profitieren können“, sagte Flor de María Blaszczyk, Forschungs- und Entwicklungskoordinatorin und Leiterin der Testeinrichtung am Fermilab.
Das Reinigungsmedium verbessert nicht nur die Qualität des flüssigen Argons, das Fermilab für Experimente verwendet, sondern ermöglicht auch die Entfernung von Stickstoffverunreinigungen, falls aufgrund einer Gerätestörung versehentlich Luft in den Kryostaten gelangt. Stickstoff ist das am häufigsten vorkommende Element in der Luft. Daher ist es entscheidend, zu wissen, wie man ihn herausfiltert, um sicherzustellen, dass DUNE und andere Experimente nicht beeinträchtigt werden.
Der nächste Schritt besteht darin, die Tests mit größeren Mengen flüssigen Argons auszuweiten, um sicherzustellen, dass das Medium genauso gut funktioniert wie bisher. Die Wissenschaftler hoffen, dass die Methode letztendlich in der Lage sein wird, Stickstoff in dem für DUNE erforderlichen großen Maßstab zu entfernen, da das System über Detektormodule verfügen wird, die jeweils 17.500 Tonnen flüssiges Argon enthalten.