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深部地下中微子实验(DUNE)合作筹备大规模生产首个探测器???/div>

2023-05-04 15:55

美国“深部地下中微子实验”(DUNE)是一项旨在探索中微子性质的实验。科学家们寄希望于解开这些粒子的秘密,揭示物理学中一些最大的谜团。例如为什么宇宙是由物质组成的,以及中子星和黑洞是如何在恒星爆炸后形成的。


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导线平面的构造,又称为阳极板组件,正在英国达累斯伯里实验室建造。该实验室将向南达科他州运送136块APA,用于深地下中微子实验。


建造深部地下中微子实验(DUNE)第一个探测器??榈淖急腹ぷ髡谘杆俳小9蔇UNE合作组织的成员已经开始对探测器组件进行最终测试,这些组件将运往南达科他州。在那里,它们将成为一项独一无二的实验的一部分。该实验旨在研究宇宙中一些最难以捉摸的粒子:中微子。


DUNE由美国能源部费米国家加速器实验室主办,设有两个地点:伊利诺伊州的费米实验室和南达科他州的桑福德地下研究设施(SURF)。远端探测器是一个巨大的结构,预计最终由四个??樽槌?,将位于SURF地下1.5公里处。每个??槎冀且桓鲆弘彩奔渫队笆遥↙ArTPC),设计用于填充17000吨氩,这是一种常见于空气中的元素,是研究中微子的理想元素。


将在SURF建造的第一个DUNE探测器??榻捎盟狡萍际?。当中微子与模块内的氩原子碰撞时,它们会产生带电粒子。这些带电粒子在穿过氩气时会将电子击出。电子被强电场吸引向阳极平面组件(APA),APA记录了电子产生位置的投影。通过测量电子撞击APA的时间,科学家们能够重建三维粒子轨迹。


完成后,第一个探测器??榻?50个APA,每个APA都是一个约2.3米乘6米的大矩形平面,由紧密缠绕的铜铍线组成。曼彻斯特大学物理学教授贾斯汀·埃文斯表示:“我们将用网格线有效地布满整个面。”贾斯汀·埃文斯正在领导英国建立APA的工作。


2019年,第一个??榈募际踉谂分藓俗友芯恐行闹形⒆悠教ǖ囊桓雒狿rotoDUNE的缩小版中测试成功。尽管它的尺寸只有最终DUNE探测器模块的二十分之一,但它仍然是有史以来建造和运行的最大的LArPC。


埃文斯表示:“这是我们英国第一次建造这些网格线并从中获取数据。它们的工作非常出色?!?br />


除了证明探测器技术可以发挥作用外,水平漂移原型还揭示了可以改进设计的地方。考虑到这一点,科学家们设计了ProtoDUNE II,这是一个升级的原型,将于今年在欧洲核子研究中心进行测试。


欧洲核子研究中心的安装团队负责人托马斯·维伯表示:“有了原型,总有经验可循。我们想证明,我们认为效果更好的东西实际上效果就是会更好?!?br />


DUNE的科学家们也在开发垂直漂移探测器的技术,这是第二个远探测器??榈募苹际?。欧洲核子研究中心也在准备在一个被称为垂直漂移模块-0的独立原型探测器中测试这项新技术。


测试整个装配过程


测试水平漂移模块组件的所有方面,还包括确保来自世界各地DUNE合作者的所有探测器组件安全抵达。为了确保这一过程顺利进行,ProtoDUNE II还充当了安装过程的试验台。参与制造探测器组件的小组在欧洲核子研究中心将所有测试部件组装在一起,并完成测试。


欧洲核子研究中心水平漂移探测器的安装协调员丹妮拉·马西纳说:“我们有来自世界各地的合作者。这是我们第一次集成并安装最终的DUNE水平漂移探测器?!?/span>


ProtoDUNE II包含四个APA。都在一个装满超冷气态氮的冷箱中进行了测试,以确保电子设备在寒冷的温度下正常工作。所有四个APA都通过了测试。之后,它们与其他部件一起被组装在ProtoDUNE II低温恒温器中。这些部分包括电子器件和光传感器,它们可以识别中微子与探测器中的液态氩相互作用时释放的光子。

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DUNE的合作团队已经完成了他们在欧洲核子研究中心建造的大型水平漂移原型探测器,ProtoDUNE II的组装。这是DUNE探测器组件大规模生产之前的最后测试。


马西纳表示:“我们需要按照一个尽可能接近我们在南达科他州使用的程序进行组装?!?br />


今年晚些时候,该团队将用液态氩填充ProtoDUNE II,并通过探测器发射一束粒子束进行测试。马西纳表示:“我们不期望有什么大的惊喜,因为在原型和II型之间只有很小的变化?!?br />


随着第二号计划的最终工作在欧洲核子研究中心进行,科学家们也在增加将安装在SURF的APA的生产。在将安装在远端探测器第一个模块中的150个APA中,136个APA将在英国的达雷斯伯里实验室生产,另外14个将在芝加哥大学生产。


为了支持这些部件的大规模生产,英国达兹伯里实验室建造了一个APA工厂,团队在那里建立了四条生产线,每条生产线都有6米长的机器,将电线绕在钢架上,以创建APA。


埃文斯表示:“我们有四个机构,都在并行工作。我们正努力达到每条生产线每两个月生产一个APA的地步。”


将探测器组件运送到南达科他州


与探测器安装有关的活动也在南达科他州开始,那里的DUNE远探测器的洞穴挖掘已完成约60%。11月初,该团队将欧洲核子研究中心的第一架原型机运送到SURF进行后测试。将长方形的APA从欧洲运送到美国,卸载结构,然后通过一个狭窄的矿井将其降到地下一英里即大功告成。


“我们正在使用旧的APA来验证这些程序,这样当我们开始将真正的APA带到SURF时?!狈衙资笛槭业目蒲Ъ野@锟恕ふ材匪咕筒换崞苹等魏味?,他是专注于DUNE水平漂移探测器的技术协调员。


尽管要实现第一个DUNE探测器??榛剐枰贫ㄐ矶嘞附?,但DUNE的科学家们并没有忽视他们的最终目标:探索中微子科学的新前沿。


埃文斯表示:“我对运行这个装置时将看到的东西感到非常兴奋。中微子能告诉我们很多关于宇宙的信息?!?/span>



来源 | 《Symmetry》期刊官网

编译 | ?槟榔郭