La colaboración DUNE está lista para aumentar la producción en masa del primer módulo detector

30 de marzo de 2023 | Diana Kwon

Los preparativos para la construcción del primer módulo detector del Experimento Subterráneo de Neutrinos Profundos avanzan rápidamente. Los miembros de la colaboración internacional DUNE han comenzado las pruebas finales de los componentes del detector que se enviarán a Dakota del Sur. Allí formarán parte de un experimento único en su tipo diseñado para estudiar algunas de las partículas más esquivas del universo: los neutrinos.

DUNE es un experimento destinado a explorar la naturaleza de los neutrinos. Los científicos esperan que descubrir los secretos de estas partículas arroje luz sobre algunos de los mayores misterios de la física, como por qué el universo está hecho de materia y cómo se forjan las estrellas de neutrones y los agujeros negros después de la explosión de estrellas.

DUNE, organizado por el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía de EE. UU., estará ubicado en dos ubicaciones: el sitio Fermilab en Illinois y el Centro de Investigación Subterránea de Sanford en Dakota del Sur. El detector lejano, una enorme estructura que en última instancia comprenderá cuatro módulos, estará ubicado a 1,5 kilómetros bajo tierra en SURF. Cada módulo será una cámara de proyección temporal de argón líquido, o LArTPC, diseñada para llenarse con 17.000 toneladas de argón, un elemento que se encuentra comúnmente en el aire y que es ideal para estudiar neutrinos.

La construcción de planos de alambre, llamados conjuntos de planos de ánodo, está en marcha en el Laboratorio Daresbury en el Reino Unido. El laboratorio enviará 136 APA a Dakota del Sur para el Experimento Subterráneo de Neutrinos. Foto de : DUNE colaboración

El primer módulo detector DUNE que se construirá en SURF empleará tecnología de deriva horizontal. Cuando los neutrinos colisionan con los átomos de argón dentro del módulo, producirán partículas cargadas. Estas partículas cargadas eliminan electrones mientras viajan a través del argón. Los electrones son atraídos por un fuerte campo eléctrico hacia conjuntos de planos anódicos, o APA, que registran una proyección del lugar donde se produjeron los electrones. Al medir el momento en que los electrones chocan con los APA, los científicos pueden reconstruir pistas de partículas tridimensionales.

Cuando esté completo, el primer módulo detector contendrá 150 APA, cada uno de ellos un gran plano rectangular de aproximadamente 2,3 metros por 6 metros de tamaño y compuesto por cables de cobre-berilio fuertemente enrollados. "Vamos a enlucir una pared con una red de cables", dijo Justin Evans, profesor de física en la Universidad de Manchester. Él lidera el esfuerzo para construir APA en el Reino Unido.

La tecnología del primer módulo se probó con éxito en una versión reducida llamada ProtoDUNE en la Plataforma Neutrino del CERN en 2019. Aunque tenía solo una vigésima parte del tamaño del módulo detector DUNE final, seguía siendo el LArTPC más grande jamás construido. y operado.

"Esa fue la primera vez que nosotros en el Reino Unido construimos cualquiera de estas redes de cables y tomamos datos de ellas", dijo Evans. “Y funcionaron de maravilla”.

Además de demostrar que la tecnología del detector funcionaría, el prototipo de deriva horizontal reveló dónde se podrían realizar mejoras en el diseño. Teniendo esto en cuenta, los científicos diseñaron ProtoDUNE II, un prototipo mejorado que se someterá a pruebas en el CERN este año.

"Con un prototipo, siempre se aprenden lecciones", afirmó Thomas Wieber, líder del equipo de instalación del CERN. "Queremos demostrar que lo que creemos que va a funcionar mejor, en realidad funciona mejor".

Los científicos de DUNE también están trabajando en el desarrollo de la tecnología para un detector de deriva vertical, que es la tecnología prevista para el segundo módulo detector lejano. En el CERN también están en marcha los preparativos para probar la nueva tecnología en un prototipo de detector separado, conocido como módulo de deriva vertical-0.

Probar todos los aspectos del conjunto del módulo de deriva horizontal también implica garantizar que todos los componentes del detector, que provienen de colaboradores de DUNE de todo el mundo, lleguen sanos y salvos. Para garantizar que este proceso se desarrolle sin problemas, ProtoDUNE II también ha servido como banco de pruebas para el proceso de instalación. Los grupos involucrados en la fabricación de los componentes del detector reunieron todas sus piezas de prueba en el CERN para ensamblar y probar el prototipo.

"Hemos tenido colaboradores de todo el mundo", dijo Daniela Macina, coordinadora de instalación del detector de deriva horizontal en el CERN. "Esta es la primera vez que integramos e instalamos todos los detectores de deriva horizontal DUNE finales juntos".

ProtoDUNE II contiene cuatro APA. Los cuatro fueron probados en una caja fría llena de nitrógeno gaseoso súper frío para garantizar que la electrónica funcione correctamente a temperaturas gélidas. Las cuatro APA pasaron la prueba. Luego fueron ensamblados en el criostato ProtoDUNE II, junto con otras partes del prototipo. Estas partes incluyen la electrónica y los sensores de luz, que identifican los fotones que se liberan cuando los neutrinos interactúan con el argón líquido en el detector.

La colaboración DUNE ha finalizado el montaje de su gran prototipo de detector de deriva horizontal, conocido como ProtoDUNE II, en el CERN. Es la prueba final antes de intensificar la producción en masa de los componentes del detector DUNE. Foto de : DUNE colaboración

"Necesitábamos ensamblar las cosas de acuerdo con un procedimiento que fuera lo más parecido posible al que usaremos en Dakota del Sur", dijo Macina.

A finales de este año, el equipo llenará ProtoDUNE II con argón líquido y disparará un haz de partículas a través del detector para probarlo. "No esperamos grandes sorpresas, porque sólo hubo cambios menores entre ProtoDUNE y ProtoDUNE II", dijo Macina.

Mientras se lleva a cabo el trabajo final sobre ProtoDUNE II en el CERN, los científicos también están aumentando la producción de los APA que se instalarán en SURF. De los 150 APA que se instalarán en el primer módulo del detector lejano, 136 APA se producirán en el Laboratorio Daresbury en el Reino Unido y otros 14 en la Universidad de Chicago.

Para respaldar la producción en masa de estas piezas, el Laboratorio Daresbury en el Reino Unido construyó una fábrica de APA donde el equipo instaló cuatro líneas de producción, cada una con máquinas de seis metros de largo para enrollar los cables alrededor de marcos de acero para crear las APA.

"Tenemos cuatro de ellos configurados, todos trabajando en paralelo", dijo Evans. "Estamos tratando de llegar al punto en que cada línea de producción pueda producir un APA cada dos meses".

Las actividades relacionadas con la instalación del detector también han comenzado en Dakota del Sur, donde la excavación de las cavernas para el detector lejano DUNE está completa en aproximadamente un 60%. A principios de noviembre, el equipo envió uno de los APA del primer prototipo del CERN a SURF para una prueba logística. El proceso de transportar el APA largo y rectangular desde Europa a los Estados Unidos, descargar la estructura y luego bajarla una milla bajo tierra a través de un pozo de mina relativamente estrecho se completó con éxito.

"Estamos utilizando APA más antiguos para validar esos procedimientos, de modo que no dañemos nada cuando comencemos a llevar los APA reales a SURF", dijo el científico del Fermilab Eric James, coordinador técnico que se centra en el detector de deriva horizontal de DUNE.

A pesar de todos los detalles que deben resolverse para darle vida al primer módulo detector de DUNE, los científicos de DUNE no pierden de vista su objetivo final: explorar una nueva frontera de la ciencia de los neutrinos.

"Estoy muy entusiasmado con lo que veremos cuando encendamos esto", dijo Evans. "Hay tantas cosas que el neutrino puede decirnos sobre el universo".

El Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de Estados Unidos. La Oficina de Ciencias es el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite science.energy.gov.