Uma nova era na física de neutrinos nos Estados Unidos está em andamento, e o Laboratório de Ciências Físicas (PSL) da UW – Madison em Stoughton está desempenhando um papel fundamental.

A instalação de neutrinos de linha de base longa, casa do Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) de US $ 2 bilhões, acabará por enviar partículas de 800 milhas através da Terra de um laboratório fora de Chicago para um detector de milhas de profundidade em uma mina de ouro inativa em Black Hills, Dakota do Sul.

Neutrinos são pouco compreendidos, mas seu papel na compreensão da matéria e na dinâmica do universo está crescendo à medida que a ciência continua a aprender mais sobre as partículas enigmáticas por meio de uma constelação de detectores novos e exóticos, incluindo a nova experiência DUNE.

Cerimônias inovadoras para o Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) acontecerão simultaneamente hoje no Sanford Lab em Dakota do Sul e no Fermilab em Illinois.

A instalação fornecerá o feixe de neutrinos e a infraestrutura que dará suporte aos detectores DUNE, aproveitando o poderoso complexo de acelerador de partículas do Fermilab e as profundas áreas subterrâneas do Sanford Lab em um longo, túnel existente escavado durante os dias de mineração de ouro da década de 1930.

Uma vez que a primeira pá de terra é girada, as equipes vão escavar mais de 800, 000 toneladas de rocha - aproximadamente o peso de oito porta-aviões - para criar enormes cavernas subterrâneas para a montagem de enormes detectores de partículas, tudo para entender melhor o misterioso neutrino. DUNE foi concebido, projetado e será construído por uma equipe de 1, 000 cientistas e engenheiros de mais de 30 países e 160 instituições, incluindo UW – Madison.

Na verdade, quando DUNE estiver operacional daqui a alguns anos, ele dependerá de conjuntos de painel de ânodo (APAs) construídos no laboratório Stoughton UW.

Os detectores serão constituídos por grandes painéis (os APAs) que serão submersos em argônio líquido. Os APAs consistem em fios ultrafinos enrolados em metal. Cada montagem criada no PSL do UW consiste em uma estrutura de aço inoxidável com 6 metros de comprimento, uma camada de malha de cobre, e quase 24 quilômetros de fio de cobre-berílio muito fino (150 mícrons de diâmetro) enrolado em quatro camadas. O fio é então conectado a uma placa de circuito para rastrear neutrinos.

Supervisionar o trabalho do PSL em DUNE é o diretor do laboratório, Bob Paulos. "Os APAs são realmente o coração do detector, "Diz Paulos.

O PSL construirá três APAs para um experimento de protótipo chamado ProtoDUNE. UW – Madison está colaborando com várias instituições no Reino Unido, que construirá mais três APAs de protótipo utilizando o design do PSL. Eles construíram uma cópia exata do robô de enrolamento de arame PSL junto com todas as outras ferramentas necessárias para construir os dispositivos.

Garantir a tensão e o passo específicos do fio é fundamental para o sucesso dos APAs.

"O plano final é construir quatro módulos detectores subterrâneos em Dakota do Sul. Cada módulo terá dois terços do tamanho de um campo de futebol e compreenderá 150 APAs, "Diz Paulos. A construção dos módulos está prevista para começar em 2020.

O PSL se juntará a alguns outros laboratórios para construir o conjunto completo de APAs necessários para o detector DUNE em escala real.

“Há muita cooperação internacional neste projeto, Paulos diz. "Serão necessários contributos mundiais para que o DUNE aconteça e estamos entusiasmados com o facto de o PSL estar a desempenhar um papel importante."

Além de construir APAs, o laboratório UW – Madison projetou e construiu suporte de estrutura de detector para o projeto. Um engenheiro e técnico PSL estão no CERN (a Organização Europeia para Pesquisa Nuclear) ajudando a montar o hardware para ProtoDUNE.

"Com este inovador, O Laboratório de Ciências Físicas da UW – Madison alcança outra conquista em sua já ilustre história na pesquisa global de neutrinos, "diz Marsha Mailick, Vice-reitor da UW – Madison para pesquisa e pós-graduação. "O Laboratório de Ciências Físicas desempenhou um papel fundamental no sucesso de experimentos científicos sofisticados como o Observatório de Neutrinos IceCube no Pólo Sul e o Grande Colisor de Hádrons no CERN na Suíça."

"Este tem sido um grande esforço de equipe no PSL com pessoas trabalhando longas horas para cumprir prazos muito apertados e manter o projeto nos trilhos, "diz Paulos." Quase todo mundo que trabalha no PSL já teve uma participação neste projeto em um momento ou outro, com um grupo principal de cerca de uma dúzia de pessoas trabalhando principalmente no projeto por um ano. "

Por que o Laboratório de Ciências Físicas UW – Madison?

"PSL tem uma longa história de trabalho em física de alta energia, "explica Paulos." Isso, junto com o fato de termos a combinação certa de engenharia, experiência em design e fabricação, bem como maquinário de última geração e uma loja de eletrônicos grande o suficiente para construir os APAs em uma área de montagem limpa, nos posiciona para podermos fazer esse tipo de trabalho. "

O PSL concluiu cerca de US $ 10 milhões em obras no projeto DUNE até o momento.

O primeiro APA foi enviado do PSL em 7 de julho e chegou ao CERN em 12 de julho. O painel faz parte do detector ProtoDUNE, um protótipo para o enorme Far Detector que será instalado no subsolo em South Dakota. O Far Detector é uma Câmara de Projeção de Tempo (TPC), um tipo de detector de partículas que usa um forte campo eletrônico junto com um volume sensível de gás ou líquido para realizar uma reconstrução tridimensional da trajetória ou interação de uma partícula. No caso de DUNE, o TPC será posicionado dentro de um criostato preenchido com argônio.

Eventualmente, O DUNE consistirá em dois detectores de partículas colocados no feixe de neutrinos mais intenso do mundo. Um detector registrará as interações das partículas perto da fonte do feixe, no Fermilab, enquanto o outro, preenchido com 70, 000 toneladas de argônio líquido e resfriado a -300 graus Fahrenheit, tirará instantâneos das interações subterrâneas no Laboratório Sanford.

À medida que os neutrinos interagem com o líquido frio, eles criam uma chuva de outras partículas e luz. Essas trilhas de partículas são então captadas pela eletrônica APA e transmitidas como dados para a superfície.

Neutrinos são as partículas de matéria mais abundantes do universo, no entanto, muito pouco se sabe sobre seu papel na forma como o universo evoluiu. O DUNE permitirá que os cientistas procurem diferenças no comportamento dos neutrinos e de suas contrapartes de antimatéria, antineutrinos, o que poderia fornecer pistas essenciais sobre por que vivemos em um universo dominado pela matéria - em outras palavras, porque estamos todos aqui, em vez de nosso universo ter sido aniquilado logo após o Big Bang.

DUNE também observará neutrinos produzidos por supernovas, que os cientistas podem usar para procurar a formação de estrelas de nêutrons ou mesmo buracos negros. Os grandes detectores DUNE também permitirão aos cientistas procurar o fenômeno subatômico previsto, mas nunca observado, do decaimento do próton, um processo intimamente ligado ao desenvolvimento de uma teoria unificada de energia e matéria.