DUNE-Zusammenarbeit ist bereit, die Massenproduktion für das erste Detektormodul hochzufahren

30. März 2023 | Diana Kwon

Die Vorbereitungen für den Bau des ersten Detektormoduls des Deep Underground Neutrino Experiments schreiten zügig voran. Mitglieder der internationalen DUNE-Kollaboration haben mit den letzten Tests der Detektorkomponenten begonnen, die nach South Dakota verschifft werden. Dort werden sie Teil eines einzigartigen Experiments zur Untersuchung einiger der schwer fassbaren Teilchen im Universum: Neutrinos.

DUNE ist ein Experiment zur Erforschung der Natur von Neutrinos. Wissenschaftler hoffen, dass die Entschlüsselung der Geheimnisse dieser Teilchen Licht auf einige der größten Rätsel der Physik werfen wird, etwa darüber, warum das Universum aus Materie besteht und wie nach explodierenden Sternen Neutronensterne und Schwarze Löcher entstehen.

DUNE wird vom Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums betrieben und an zwei Standorten untergebracht: am Fermilab-Standort in Illinois und in der Sanford Underground Research Facility in South Dakota. Der Ferndetektor, eine riesige Struktur, die letztendlich aus vier Modulen bestehen soll, wird 1,5 Kilometer unter der Erde bei SURF liegen. Bei jedem Modul handelt es sich um eine Flüssig-Argon-Zeitprojektionskammer (LArTPC), die mit 17.000 Tonnen Argon gefüllt werden kann, einem Element, das häufig in der Luft vorkommt und sich ideal für die Untersuchung von Neutrinos eignet.

Der Bau von Drahtebenen, sogenannten Anodenebenenbaugruppen, ist im Daresbury Laboratory im Vereinigten Königreich im Gange. Das Labor wird 136 APAs für das Deep Underground Neutrino Experiment nach South Dakota liefern. Foto: DUNE-Zusammenarbeit

Das erste DUNE-Detektormodul, das bei SURF gebaut wird, wird die horizontale Drifttechnologie nutzen. Wenn Neutrinos mit den Argonatomen im Inneren des Moduls kollidieren, erzeugen sie geladene Teilchen. Diese geladenen Teilchen schlagen Elektronen heraus, während sie sich durch das Argon bewegen. Die Elektronen werden durch ein starkes elektrisches Feld zu Anodenebenenbaugruppen (APAs) hingezogen, die eine Projektion des Ortes, an dem die Elektronen erzeugt wurden, aufzeichnen. Durch die Messung des Zeitpunkts, zu dem Elektronen auf die APAs treffen, können Wissenschaftler dreidimensionale Teilchenspuren rekonstruieren.

Nach Fertigstellung wird das erste Detektormodul 150 APAs enthalten, von denen jedes eine große rechteckige Fläche mit einer Größe von etwa 2,3 x 6 Metern darstellt und aus eng gewickelten Kupfer-Beryllium-Drähten besteht. „Wir werden eine Wand effektiv mit einem Drahtgitter verputzen“, sagte Justin Evans, Professor für Physik an der Universität Manchester. Er leitet die Bemühungen zum Aufbau von APAs im Vereinigten Königreich

Die Technologie für das erste Modul wurde 2019 in einer verkleinerten Version namens ProtoDUNE auf der Neutrino-Plattform des CERN erfolgreich getestet. Obwohl es nur ein Zwanzigstel der Größe des endgültigen DUNE-Detektormoduls aufwies, war es dennoch der größte jemals gebaute LArTPC und operiert.

„Das war das erste Mal, dass wir in Großbritannien eines dieser Drahtgitter gebaut und Daten daraus gewonnen haben“, sagte Evans. „Und sie haben wunderbar funktioniert.“

Der horizontale Drift-Prototyp bewies nicht nur, dass die Detektortechnologie funktionieren würde, sondern zeigte auch, wo Designverbesserungen vorgenommen werden könnten. Vor diesem Hintergrund haben Wissenschaftler ProtoDUNE II entworfen, einen verbesserten Prototyp, der dieses Jahr am CERN getestet wird.

„Aus einem Prototyp lernt man immer etwas“, sagte Thomas Wieber, Leiter des Installationsteams am CERN. „Wir wollen beweisen, dass das, was unserer Meinung nach besser funktioniert, tatsächlich besser funktioniert.“

DUNE-Wissenschaftler arbeiten außerdem an der Entwicklung der Technologie für einen Vertikaldriftdetektor, der die geplante Technologie für das zweite Ferndetektormodul ist. Auch am CERN laufen Vorbereitungen für die Erprobung der neuen Technologie in einem separaten Prototyp-Detektor, dem so genannten Vertical Drift Module-0.

Das Testen aller Aspekte der horizontalen Driftmodulbaugruppe umfasst auch die Sicherstellung, dass alle Detektorkomponenten, die von DUNE-Mitarbeitern auf der ganzen Welt stammen, sicher ankommen. Um sicherzustellen, dass dieser Prozess reibungslos verläuft, diente ProtoDUNE II auch als Testumgebung für den Installationsprozess. Die an der Herstellung der Detektorkomponenten beteiligten Gruppen brachten alle ihre Testteile am CERN zusammen, um den Prototyp zusammenzubauen und zu testen.

„Wir hatten Mitarbeiter aus der ganzen Welt“, sagte Daniela Macina, die Installationskoordinatorin für den horizontalen Driftdetektor am CERN. „Dies ist das erste Mal, dass wir die endgültigen horizontalen Driftdetektoren von DUNE vollständig integriert und installiert haben.“

ProtoDUNE II enthält vier APAs. Alle vier wurden in einer mit superkaltem gasförmigem Stickstoff gefüllten Kühlbox getestet, um sicherzustellen, dass die Elektronik auch bei eisigen Temperaturen ordnungsgemäß funktioniert. Alle vier APAs haben den Test bestanden. Anschließend wurden sie zusammen mit anderen Teilen des Prototyps im ProtoDUNE II-Kryostat zusammengebaut. Zu diesen Teilen gehören die Elektronik und Lichtsensoren, die Photonen identifizieren, die freigesetzt werden, wenn Neutrinos mit dem flüssigen Argon im Detektor interagieren.

Die DUNE-Kollaboration hat die Montage ihres großen horizontalen Drift-Prototypdetektors, bekannt als ProtoDUNE II, am CERN abgeschlossen. Es ist der letzte Test vor dem Hochfahren der Massenproduktion von DUNE-Detektorkomponenten. Foto: DUNE-Zusammenarbeit

„Wir mussten die Dinge nach einem Verfahren zusammenbauen, das dem in South Dakota so nahe wie möglich kommt“, sagte Macina.

Später in diesem Jahr wird das Team ProtoDUNE II mit flüssigem Argon füllen und einen Partikelstrahl durch den Detektor schießen, um ihn zu testen. „Wir erwarten keine großen Überraschungen, da es zwischen ProtoDUNE und ProtoDUNE II nur geringfügige Änderungen gab“, sagte Macina.

Während die letzten Arbeiten an ProtoDUNE II am CERN stattfinden, steigern Wissenschaftler auch die Produktion der APAs, die bei SURF installiert werden. Von den 150 APAs, die im ersten Modul des Ferndetektors installiert werden, werden 136 APAs im Daresbury Laboratory im Vereinigten Königreich und weitere 14 an der University of Chicago hergestellt.

Um die Massenproduktion dieser Teile zu unterstützen, hat das Daresbury Laboratory im Vereinigten Königreich eine APA-Fabrik errichtet, in der das Team vier Produktionslinien mit jeweils sechs Meter langen Maschinen zum Wickeln der Drähte um Stahlrahmen zur Herstellung der APAs eingerichtet hat.

„Wir haben vier davon eingerichtet, die alle parallel arbeiten“, sagte Evans. „Wir versuchen, den Punkt zu erreichen, an dem jede Produktionslinie alle zwei Monate ein APA produzieren kann.“

Aktivitäten im Zusammenhang mit der Installation des Detektors haben auch in South Dakota begonnen, wo die Ausgrabung der Kavernen für den DUNE-Far-Detektor zu etwa 60 % abgeschlossen ist. Anfang November schickte das Team einen der APAs vom ersten Prototyp am CERN zu SURF für einen Logistiktest. Der Transport des langen, rechteckigen APA von Europa in die Vereinigten Staaten, das Abladen der Struktur und das anschließende Absenken eine Meile unter der Erde durch einen relativ schmalen Minenschacht wurde erfolgreich abgeschlossen.

„Wir verwenden ältere APAs, um diese Verfahren zu validieren, damit wir nichts beschädigen, wenn wir beginnen, die echten APAs zu SURF zu bringen“, sagte Fermilab-Wissenschaftler Eric James, ein technischer Koordinator, der sich auf den horizontalen Driftdetektor von DUNE konzentriert.

Trotz aller Details, die ausgearbeitet werden müssen, um das erste DUNE-Detektormodul zum Leben zu erwecken, verlieren die DUNE-Wissenschaftler ihr ultimatives Ziel nicht aus den Augen: die Erforschung einer neuen Grenze der Neutrinowissenschaft.

„Ich bin sehr gespannt, was wir sehen werden, wenn wir dieses Ding einschalten“, sagte Evans. „Das Neutrino kann uns so viel über das Universum sagen.“

Das Fermi National Accelerator Laboratory wird vom Office of Science des US-Energieministeriums unterstützt. Das Office of Science ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter science.energy.gov.