El experimento internacional de neutrinos subterráneos profundos, o DUNE, alojado por Fermilab, será enorme. De hecho, con más de 1, 000 colaboradores de más de 30 países y cinco continentes, es el proyecto científico internacional más grande jamás realizado en los EE. UU.

Para prepararse para este esfuerzo masivo, la comunidad de la física de partículas ha estado utilizando las tecnologías DUNE para realizar pruebas exhaustivas. Durante la ultima decada, los detectores de partículas ICARUS, MicroBooNE y LArIAT en Fermilab y los detectores ProtoDUNE en CERN han contribuido de una forma u otra a recopilar los conocimientos básicos necesarios para construir y operar DUNE, un detector de neutrinos que utilizará argón líquido y electrónica avanzada para capturar el paso de las famosas partículas elusivas.

En 2019, Los preparativos de DUNE entraron en una nueva etapa cuando Fermilab estableció una nueva instalación de prueba para detectores DUNE:el criostato integrado y la electrónica construida para los objetivos de investigación experimental, o ICEBERG.

"El objetivo principal de DUNE es medir y comprender propiedades muy particulares del neutrino, e ICEBERG es una instalación donde podemos confirmar que los componentes del detector que estamos diseñando alcanzan las especificaciones necesarias para que DUNE tenga éxito. "dijo Rory Fitzpatrick, estudiante de posgrado de la Universidad de Michigan que trabaja en los detectores de fotones de ICEBERG.

Las partículas de materia más abundantes del universo, Los neutrinos proporcionan un valioso campo de pruebas para las teorías de la física de partículas. Apenas interactúan con nada, y oscilan entre tres estados diferentes mientras viajan.

Los experimentos de física como DUNE hacen uso de las propiedades de los neutrinos para iluminar las diferencias entre la materia y la antimateria, quizás explicando por qué el universo parece estar dominado por la materia. Los neutrinos también pueden enseñarnos sobre la vida útil del protón y las formaciones de agujeros negros a lo largo del camino.

Los aceleradores de Fermilab dispararán un rayo subterráneo de partículas de neutrinos a 800 millas a través de la corteza terrestre, desde Fermilab en Illinois hasta la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford en Dakota del Sur. En cada sitio, un detector medirá la composición del haz y analizará cómo las partículas han cambiado de forma a lo largo de su vuelo. Dado que los neutrinos interactúan tan débilmente, los detectores deben ser masivos y ultrasensibles. En esencia, son recipientes gigantes de argón líquido que son bombardeados con partículas diminutas. De vez en cuando, uno de los neutrinos interactuará con el argón y producirá partículas cargadas y fotones, ambos son detectados por varios sensores en DUNE. El detector en ICEBERG es en efecto una versión en miniatura del componente DUNE que rastrea estas partículas.

No es necesario enviar neutrinos altamente esquivos a los detectores de partículas mientras simplemente se prueba la funcionalidad del sistema. Cuando está estacionado sobre el suelo, Los detectores también pueden detectar rastros de rayos cósmicos, creados cuando partículas de alta energía del espacio exterior golpean la atmósfera, de manera mucho más consistente.

Las firmas de rayos cósmicos permiten a los físicos probar la electrónica DUNE sobre el suelo con sistemas de seguimiento de carga y detección de fotones. Más, porque los rayos cósmicos son abundantes en la superficie de la Tierra y más fáciles de detectar que los neutrinos, los prototipos pueden ser más pequeños y requerir un argón mucho menos valioso.

El argón líquido utilizado para ICEBERG llenaría la plataforma de una camioneta. DUNA, en comparación, requiere suficiente argón para llenar 12 piscinas olímpicas. Los investigadores de DUNE están probando actualmente la segunda de varias combinaciones de componentes electrónicos nuevos y probados con ICEBERG.

"Los científicos, Los ingenieros y el personal técnico trabajan juntos para encontrar formas de mejorar continuamente el ICEBERG y mantener en funcionamiento toda su infraestructura de soporte. "dijo Kelly Hardin, un técnico de Fermilab que trabaja en todos los detectores de argón líquido en Fermilab.

Una vez que termine esta serie de pruebas, Se espera que los sensores electrónicos y de fotones elegidos se prueben en uno de los detectores ProtoDUNE antes de producirse en masa para su uso en DUNE.

"Hasta aquí, todo el detector ICEBERG y la infraestructura asociada funcionan correctamente, "dijo Shekhar Mishra, Científico del Fermilab y líder del proyecto ICEBERG. "Las mediciones están saliendo muy bien. Hemos visto huellas hermosas y hemos detectado fotones".

El proceso de operar y mantener este y otros prototipos de detectores prepara a los científicos para la gran liga:DUNE. Un proyecto internacional de su magnitud requiere rigurosos controles de seguridad y una preparación minuciosa.

"ICEBERG me ha dado la oportunidad de ensuciarme las manos y girar algunos tornillos, "dijo Iván Caro Terrazas, estudiante de posgrado de la Universidad Estatal de Colorado que trabaja en los sistemas de seguimiento de partículas de ICEBERG. "Me sorprende la cantidad de coordinación que se requiere para un detector tan pequeño como ICEBERG, y mucho menos DUNE en sí mismo ".

De muchas maneras, ICEBERG es una bola de cristal para DUNE, que brinda información sobre sus futuros obstáculos y requisitos.

"Incluso ejecutando ICEBERG, una micro-DUNA, estamos aprendiendo mucho sobre lo que vamos a necesitar para construir, operar y administrar este detector masivo, ", Dijo Mishra." ICEBERG es un esfuerzo colaborativo de laboratorios e instituciones de todo el mundo. Confiamos en nuestro equipo diverso para superar los desafíos y lograr nuestras metas ".