Übung macht den Meister (Partikeldetektoren)

Nach seiner Fertigstellung wird das Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) das umfassendste Neutrino-Experiment der Welt sein – und die Installation des riesigen Ferndetektors für DUNE in einer Höhle eine Meile unter der Erde wird wie das größte Operationsspiel der Welt sein.

DUNE wird aus zwei Detektoren bestehen: einem kleineren Nahdetektor, der im Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums in Illinois aufgestellt werden soll; und ein größerer Ferndetektor, der in der Sanford Underground Research Facility (SURF) in South Dakota aufgestellt werden soll.

Der Ferndetektor soll aus vier Modulen bestehen – zwei davon befinden sich im Bau und zwei sind noch in der Planung –, jedes in der Größe eines fast sechsstöckigen Gebäudes und so lang wie ein Fußballfeld. Ein Modul wird aus 25 Reihen kleinerer Neutrinodetektoren bestehen, die als Anode Plane Assemblys (APAs) bezeichnet werden und zu den fragilsten Komponenten des Experiments gehören.

Da der DUNE-Ferndetektor bei SURF in einer unterirdischen Höhle montiert wird, gibt es nicht viel Spielraum für die Arbeit. Die Techniker, die die letzte APA-Reihe installieren, stehen an einer Wand und haben nur ein paar Meter Platz, um sicher zu arbeiten. Sobald sie die Scherenhebebühne einfahren, ist gerade noch genug Platz für einen Menschen, der zwischen ihr und den APAs hindurchgehen kann. Sobald sie fertig sind, müssen sie sich wieder durchzwängen und alle Werkzeuge und Instrumente mitbringen, die sie mitgebracht haben.

Um den Detektor fertigzustellen, „arbeiten wir mit wenigen Zentimetern“, sagt Tom Wieber, Manager eines anderen Untergrundlabors, der NOvA Far Detector Facility in Ash River, Minnesota.

Wieber kennt die Einschränkungen gut, da er eine wesentliche Rolle bei der Vorbereitung der endgültigen Installation spielt.

NOvA ist ebenfalls ein Langstrecken-Neutrino-Experiment. Es besteht aus einem Ferndetektor in Ash River und einem Nahdetektor im Fermilab. Ein vom Fermilab stammender Neutrinostrahl wird durch beide Detektoren geschickt.

Nach der Montage von NOvA verfügte die Anlage in Ash River über ausreichend Hochregalfläche, um einen Probemontagebereich für DUNE zu schaffen; Es ist der einzige Ort mit zwei APA-Prototypen, mit denen Techniker die Arbeit üben können.

Prototyping ist ein unverzichtbarer Schritt bei der Entwicklung großer Teilchenphysikexperimente. Vom Testen der Komponenten, um zu bestätigen, dass sie unter experimentellen Bedingungen funktionieren, bis hin zum Üben des Transports und Zusammenbaus von Teilen unternehmen Teilchenphysik-Kooperationen große Anstrengungen, um sicherzustellen, dass das Experiment wie erwartet funktioniert.

Viele Komponenten von DUNE nutzen speziell entwickelte Werkzeuge, die Wieber und sein Team auf der Grundlage von Konstruktionszeichnungen und Materiallisten im eigenen Haus herstellen. Anschließend testen sie die Tools an ihrem DUNE-Prototyp.

„Wir haben großartige Ingenieure im Rücken, die die Werkzeuge und Vorrichtungen so konzipieren, dass wir nur noch herausfinden müssen, wie wir sie sicher nutzen“, sagt Wieber. „Sind sie zum Beispiel zu schwer? Benötigen wir ein weiteres Hilfstool, um die Installation oder Entfernung zu erleichtern? Was muss man an Lanyards befestigen, damit sie nicht herunterfallen? Ist es zu irgendeinem Zeitpunkt der Verwendung unmöglich, ohne drei Hände zu arbeiten?“

Wenn sie auf ein Problem stoßen, informiert Wiebers Team die Ingenieure über das Problem und schlägt mögliche Lösungen vor. Dann wird das Design überarbeitet und der Prozess beginnt von vorne.

„Ich kann wahrscheinlich an einer Hand abzählen, wie viele Widgets, Tools und Vorrichtungen der ersten Version nach dem Testen keinerlei Änderungen erfahren haben – einige davon sind einfach, andere völlig überarbeitet“, sagt Wieber.

„Alle gewonnenen Erkenntnisse sind wertvoll“, sagt er. „Alles, was schwierig, zeitaufwändig oder was auch immer war – es muss aufgezeichnet werden. Denn wir bauen einen Prototyp, und wenn es ein Problem gibt, muss es dokumentiert werden, damit sich das Problem nicht verschärft, wenn wir es auf Kilotonnen skalieren.“

Das Setup von Ash River ist so vielseitig, dass Wieber und sein Team viele Dinge gleichzeitig testen können. Beispielsweise installieren sie ihre beiden APAs in unterschiedlichen Ausrichtungen, um die Kabellänge zu testen. Gleichzeitig testen sie die „Biegsamkeit“ einer Kathodenebene – um zu sehen, ob sie sich wieder aufrichtet, nachdem sie in einer Mondsichelform gehalten wurde.

„Die [Kathodenebenenbaugruppen] am CERN hängen nicht gerade, daher hat uns [das Hochspannungskonsortium] gebeten, diesen Test durchzuführen, da wir die einzigen anderen hängenden CPAs haben, die es gibt“, sagt Wieber. „Also sagten wir: Ja, das können wir.

Die Detektoren sind nicht die einzigen Teile von DUNE, die von einem Testlauf profitieren können.

Die Tests der DUNE-Detektorkomponenten begannen 2017 am CERN mit zwei Prototypen im Zwanzigstelmaßstab, die treffend ProtoDUNE genannt wurden. Jeder ProtoDUNE-Detektor nutzte unterschiedliche Designs der Flüssigargon-Zeitprojektionskammer und beide waren mit einer kleinen Anzahl vollwertiger Detektorkomponenten ausgestattet.

Und da ist der Teilchenbeschleuniger, der den Neutrinostrahl erzeugt, den die Detektoren untersuchen werden. DUNE wird von einem neuen supraleitenden Linearbeschleuniger im Fermilab angetrieben, der im Rahmen des Projekts Proton Improvement Plan II (PIP-II) gebaut wird. Der Beschleuniger wird aus fünf verschiedenen Arten von Kryomodulen bestehen, in denen die supraleitenden Hohlräume untergebracht und gekühlt werden, die die Teilchen auf über 80 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen.

Das PIP-II-Team am Fermilab hat kürzlich den Zusammenbau eines Prototyps eines der Kryomodule abgeschlossen. Es wird als High-Beta-650-MegaHertz- oder HB650-Kryomodul bezeichnet und ist das größte Kryomodul im Beschleuniger. Vier HB650-Kryomodule bilden die letzte Beschleunigungsstufe.

Das Team installierte den Prototyp im Januar und Februar 2023 in einem Kryomodul-Teststand bei Fermilab. Für den Installationsprozess mussten Techniker den Prototyp an seine Hochfrequenz-Stromquelle, Instrumentenanzeigen und das kryogene Verteilungssystem anschließen, das ihn auf supraleitende Temperaturen abkühlen wird .

„Da es sich hier um einen Kryomodul-Prototyp handelt, ist er umfassend mit Sensoren ausgestattet – viel mehr als das, was wir in einem typischen Kryomodul in der Produktionsphase tun würden –, sodass wir diese Informationen beobachten, überwachen und dann zur Validierung unserer Entwürfe verwenden können“, sagt Saravan Chandrasekaran, ehemaliger PIP-II-Manager für das Kryomodul HB650 bei Fermilab, der die Montage leitete.

Schon die Installation des Kryomoduls auf dem Stand führte zu Rückmeldungen zum Design des Kryomoduls. Chandrasekaran sagt, dass sowohl der Ständer als auch das Kryomodul das Design wahrscheinlich leicht ändern werden, um sich besser anzupassen.

„Wir arbeiten als ein Team“, sagt er. „Wir arbeiten alle daran, einen Beschleuniger für unser Labor zu bekommen.“

Ende Februar erhielt das Team die Genehmigung zum Betrieb des Prototyps. Und Anfang März begannen sie mit dem „Abkühlvorgang“, um die Fähigkeit des Kryomoduls zu testen, die für die Supraleitung erforderlichen 2 Kelvin oder minus 456 Grad Fahrenheit zu erreichen.

„Der Prototyp ist für uns im Grunde das beste Mittel, um alle Designs zu testen [und] alle Schnittstellen zu bestätigen, um alle Probleme hervorzuheben, die möglicherweise von Natur aus vorhanden sind, und uns die Möglichkeit zu geben, sie zu beheben, bevor wir in die Produktionsphase übergehen.“ “, sagt Chandrasekaran.

Mitte März berichtete das PIP-II-Team, dass es die Abklingzeit des Prototyps beim ersten Versuch erfolgreich abgeschlossen habe. Das Kryomodul hatte in weniger als sechs Tagen ohne technische Probleme 2 K erreicht. Im April versorgte das Team den ersten von sechs Hohlräumen mit Hochfrequenzenergie. Es müssen zwar noch viele Tests durchgeführt werden, aber sobald die Daten eingehen und analysiert werden – und die erforderliche Leistung belegen –, wird das Team hinsichtlich dieses Kryomoduldesigns zuversichtlicher sein.

„Man sagt, der Beweis für den Pudding liegt in der Verkostung“, sagt Joe Ozelis, der jetzt das Kryomodulprogramm PIP-II HB650 leitet. „Nun, für uns liegt der Beweis für das Design im Test.“