Está en marcha una nueva era en la física de neutrinos en los Estados Unidos, y el Laboratorio de Ciencias Físicas (PSL) de UW – Madison en Stoughton está desempeñando un papel clave.

La instalación de neutrinos de línea de base larga, hogar del Experimento de Neutrinos Subterráneos Profundos de $ 2 mil millones (DUNE), eventualmente enviará partículas a 800 millas a través de la tierra desde un laboratorio en las afueras de Chicago a un detector de una milla de profundidad en una mina de oro inactiva en Black Hills de Dakota del Sur.

Los neutrinos son poco conocidos, pero su papel en la comprensión de la materia y la dinámica del universo está creciendo a medida que la ciencia continúa aprendiendo más sobre las enigmáticas partículas a través de una constelación de detectores nuevos y exóticos, incluido el nuevo experimento DUNE.

Las ceremonias innovadoras para la Instalación de Neutrinos de Línea de Base Larga (LBNF) se llevarán a cabo simultáneamente hoy en el Laboratorio Sanford en Dakota del Sur y en Fermilab en Illinois.

La instalación proporcionará el haz de neutrinos y la infraestructura que soportará los detectores DUNE, aprovechando el poderoso complejo acelerador de partículas de Fermilab y las áreas subterráneas profundas de Sanford Lab dentro de un largo, túnel existente excavado durante los días de la minería de oro de la década de 1930.

Una vez que se gira la primera pala de tierra, las cuadrillas excavarán más de 800, 000 toneladas de roca, aproximadamente el peso de ocho portaaviones, para crear enormes cavernas subterráneas para el montaje de enormes detectores de partículas, todo para comprender mejor el misterioso neutrino. DUNE fue concebido, diseñado y será construido por un equipo de 1, 000 científicos e ingenieros de más de 30 países y 160 instituciones, incluyendo UW – Madison.

De hecho, cuando DUNE esté operativo dentro de unos años, se basará en conjuntos de paneles de ánodo (APA) construidos en el laboratorio de Stoughton UW.

Los detectores estarán compuestos por grandes paneles (los APA) que estarán sumergidos en argón líquido. Los APA consisten en alambres ultrafinos enrollados alrededor de metal. Cada ensamblaje creado en el PSL de la UW consta de un marco de acero inoxidable de 20 pies de largo, una capa de malla de cobre, y casi 15 millas de alambre de berilio de cobre muy delgado (150 micrones de diámetro) enrollado a su alrededor en cuatro capas. Luego, el cable se conecta a una placa de circuito para rastrear neutrinos.

El director del laboratorio supervisa el trabajo de PSL en DUNE, Bob Paulos. "Los APA son realmente el corazón del detector, "Dice Paulos.

PSL construirá tres APA para un experimento prototipo llamado ProtoDUNE. UW – Madison está colaborando con varias instituciones en el Reino Unido, que construirá tres prototipos de APA más utilizando el diseño de PSL. Han construido una copia exacta del robot de bobinado de alambre PSL junto con todas las demás herramientas necesarias para construir los dispositivos.

Asegurar la tensión y el paso específicos del cable es fundamental para el éxito de los APA.

"El plan final es construir cuatro módulos detectores bajo tierra en Dakota del Sur. Cada módulo tendrá dos tercios del tamaño de un campo de fútbol y comprenderá 150 APA, ", Dice Paulos. Se espera que la construcción de los módulos comience en 2020.

PSL se unirá a un par de otros laboratorios para construir el conjunto completo de APA que se necesitan para el detector DUNE a gran escala.

"Hay mucha cooperación internacional en este proyecto, "Dice Paulos." Se necesitarán contribuciones de todo el mundo para que DUNE suceda y estamos entusiasmados de que PSL esté desempeñando un papel importante ".

Además de crear APA, el laboratorio de UW – Madison ha diseñado y construido el soporte de la estructura del detector para el proyecto. Un ingeniero y un técnico de PSL están en el CERN (la Organización Europea para la Investigación Nuclear) ayudando a armar el hardware para ProtoDUNE.

"Con esta innovadora, El Laboratorio de Ciencias Físicas de UW – Madison alcanza otro logro en su ya ilustre historia en la investigación global de neutrinos, "dice Marsha Mailick, Vicecanciller de investigación y educación de posgrado de UW – Madison. "El Laboratorio de Ciencias Físicas ha jugado un papel integral en el éxito de experimentos científicos tan sofisticados como el Observatorio de Neutrinos IceCube en el Polo Sur y el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN en Suiza".

"Este ha sido un gran esfuerzo de equipo en PSL con personas que trabajan muchas horas para cumplir con plazos muy ajustados para mantener el proyecto en marcha, "dice Paulos." Casi todos los que trabajan en PSL han participado en este proyecto en un momento u otro, con un grupo central de alrededor de una docena de personas que trabajaron principalmente en el proyecto durante un año ".

¿Por qué el Laboratorio de Ciencias Físicas de UW – Madison?

"PSL tiene un largo historial de trabajo en física de altas energías, "explica Paulos." Eso, junto con el hecho de que tenemos la combinación adecuada de ingeniería, experiencia en diseño y fabricación, así como maquinaria de última generación y un taller de electrónica lo suficientemente grande como para construir los APA en un área de ensamblaje limpia, nos posiciona para poder hacer este tipo de trabajo ".

PSL ha completado aproximadamente $ 10 millones en trabajo en el proyecto DUNE hasta la fecha.

El primer APA fue enviado desde el PSL el 7 de julio y llegó al CERN el 12 de julio. El panel es parte del detector ProtoDUNE, un prototipo del enorme Detector Lejano que eventualmente se alojará bajo tierra en Dakota del Sur. El detector lejano es una cámara de proyección de tiempo (TPC), un tipo de detector de partículas que utiliza un campo electrónico fuerte junto con un volumen sensible de gas o líquido para realizar una reconstrucción tridimensional de la trayectoria o interacción de una partícula. En el caso de DUNE, el TPC se colocará dentro de un criostato lleno de argón.

Finalmente, DUNE constará de dos detectores de partículas colocados en el haz de neutrinos más intenso del mundo. Un detector registrará las interacciones de las partículas cerca de la fuente del haz, en Fermilab, mientras que el otro, lleno de 70, 000 toneladas de argón líquido y enfriado a -300 grados Fahrenheit, tomará instantáneas de las interacciones subterráneas en el Sanford Lab.

A medida que los neutrinos interactúan con el líquido frío, crean una lluvia de otras partículas y luz. Estas huellas de partículas son luego recogidas por la electrónica APA y transmitidas como datos a la superficie.

Los neutrinos son las partículas de materia más abundantes del universo, sin embargo, se sabe muy poco sobre su papel en la forma en que evolucionó el universo. DUNE permitirá a los científicos buscar diferencias en el comportamiento de los neutrinos y sus contrapartes de antimateria, antineutrinos, que podría proporcionar pistas esenciales sobre por qué vivimos en un universo dominado por la materia; en otras palabras, por qué estamos todos aquí, en lugar de que nuestro universo haya sido aniquilado justo después del Big Bang.

DUNE también estará atento a los neutrinos producidos por supernovas, que los científicos pueden utilizar para buscar la formación de estrellas de neutrones o incluso agujeros negros. Los grandes detectores DUNE también permitirán a los científicos buscar el fenómeno subatómico predicho pero nunca observado de la desintegración de protones. un proceso estrechamente ligado al desarrollo de una teoría unificada de la energía y la materia.