導線平面的構造,又稱為陽極板組件,正在英國達累斯伯里實驗室建造。該實驗室將向南達科他州運送136塊APA,用于深地下中微子實驗。
建造深部地下中微子實驗(DUNE)第一個探測器模塊的準備工作正在迅速進行。國際DUNE合作組織的成員已經開始對探測器組件進行最終測試,這些組件將運往南達科他州。在那里,它們將成為一項獨一無二的實驗的一部分。該實驗旨在研究宇宙中一些最難以捉摸的粒子:中微子。
DUNE由美國能源部費米國家加速器實驗室主辦,設有兩個地點:伊利諾伊州的費米實驗室和南達科他州的桑福德地下研究設施(SURF)。遠端探測器是一個巨大的結構,預計最終由四個模塊組成,將位于SURF地下1.5公里處。每個模塊都將是一個液氬時間投影室(LArTPC),設計用于填充17000噸氬,這是一種常見于空氣中的元素,是研究中微子的理想元素。
將在SURF建造的第一個DUNE探測器模塊將采用水平漂移技術。當中微子與模塊內的氬原子碰撞時,它們會產生帶電粒子。這些帶電粒子在穿過氬氣時會將電子擊出。電子被強電場吸引向陽極平面組件(APA),APA記錄了電子產生位置的投影。通過測量電子撞擊APA的時間,科學家們能夠重建三維粒子軌跡。
完成后,第一個探測器模塊將包含150個APA,每個APA都是一個約2.3米乘6米的大矩形平面,由緊密纏繞的銅鈹線組成。曼徹斯特大學物理學教授賈斯汀·埃文斯表示:“我們將用網格線有效地布滿整個面。”賈斯汀·埃文斯正在領導英國建立APA的工作。
2019年,第一個模塊的技術在歐洲核子研究中心中微子平臺的一個名為ProtoDUNE的縮小版中測試成功。盡管它的尺寸只有最終DUNE探測器模塊的二十分之一,但它仍然是有史以來建造和運行的最大的LArPC。
埃文斯表示:“這是我們英國第一次建造這些網格線并從中獲取數據。它們的工作非常出色。”
除了證明探測器技術可以發揮作用外,水平漂移原型還揭示了可以改進設計的地方。考慮到這一點,科學家們設計了ProtoDUNE II,這是一個升級的原型,將于今年在歐洲核子研究中心進行測試。
歐洲核子研究中心的安裝團隊負責人托馬斯·維伯表示:“有了原型,總有經驗可循。我們想證明,我們認為效果更好的東西實際上效果就是會更好。”
DUNE的科學家們也在開發垂直漂移探測器的技術,這是第二個遠探測器模塊的計劃技術。歐洲核子研究中心也在準備在一個被稱為垂直漂移模塊-0的獨立原型探測器中測試這項新技術。
測試整個裝配過程
測試水平漂移模塊組件的所有方面,還包括確保來自世界各地DUNE合作者的所有探測器組件安全抵達。為了確保這一過程順利進行,ProtoDUNE II還充當了安裝過程的試驗臺。參與制造探測器組件的小組在歐洲核子研究中心將所有測試部件組裝在一起,并完成測試。
歐洲核子研究中心水平漂移探測器的安裝協調員丹妮拉·馬西納說:“我們有來自世界各地的合作者。這是我們第一次集成并安裝最終的DUNE水平漂移探測器。”
ProtoDUNE II包含四個APA。都在一個裝滿超冷氣態氮的冷箱中進行了測試,以確保電子設備在寒冷的溫度下正常工作。所有四個APA都通過了測試。之后,它們與其他部件一起被組裝在ProtoDUNE II低溫恒溫器中。這些部分包括電子器件和光傳感器,它們可以識別中微子與探測器中的液態氬相互作用時釋放的光子。
DUNE的合作團隊已經完成了他們在歐洲核子研究中心建造的大型水平漂移原型探測器,ProtoDUNE II的組裝。這是DUNE探測器組件大規模生產之前的最后測試。
馬西納表示:“我們需要按照一個盡可能接近我們在南達科他州使用的程序進行組裝。”
今年晚些時候,該團隊將用液態氬填充ProtoDUNE II,并通過探測器發射一束粒子束進行測試。馬西納表示:“我們不期望有什么大的驚喜,因為在原型和II型之間只有很小的變化。”
隨著第二號計劃的最終工作在歐洲核子研究中心進行,科學家們也在增加將安裝在SURF的APA的生產。在將安裝在遠端探測器第一個模塊中的150個APA中,136個APA將在英國的達雷斯伯里實驗室生產,另外14個將在芝加哥大學生產。
為了支持這些部件的大規模生產,英國達茲伯里實驗室建造了一個APA工廠,團隊在那里建立了四條生產線,每條生產線都有6米長的機器,將電線繞在鋼架上,以創建APA。
埃文斯表示:“我們有四個機構,都在并行工作。我們正努力達到每條生產線每兩個月生產一個APA的地步。”
將探測器組件運送到南達科他州
與探測器安裝有關的活動也在南達科他州開始,那里的DUNE遠探測器的洞穴挖掘已完成約60%。11月初,該團隊將歐洲核子研究中心的第一架原型機運送到SURF進行后測試。將長方形的APA從歐洲運送到美國,卸載結構,然后通過一個狹窄的礦井將其降到地下一英里即大功告成。
“我們正在使用舊的APA來驗證這些程序,這樣當我們開始將真正的APA帶到SURF時。”費米實驗室的科學家埃里克·詹姆斯就不會破壞任何東西,他是專注于DUNE水平漂移探測器的技術協調員。
盡管要實現第一個DUNE探測器模塊還需要制定許多細節,但DUNE的科學家們并沒有忽視他們的最終目標:探索中微子科學的新前沿。
埃文斯表示:“我對運行這個裝置時將看到的東西感到非常興奮。中微子能告訴我們很多關于宇宙的信息。”