O experimento internacional Deep Underground Neutrino, ou DUNE, hospedado pelo Fermilab, será enorme. Na verdade, com mais de 1, 000 colaboradores de mais de 30 países e cinco continentes, é o maior projeto científico internacional já realizado nos EUA.

Para se preparar para este grande esforço, a comunidade de física de partículas tem levado tecnologias DUNE para test drives completos. Na última década, os detectores de partículas ICARUS, MicroBooNE e LArIAT no Fermilab e os detectores ProtoDUNE no CERN contribuíram de uma forma ou de outra para compilar o conhecimento profundo necessário para construir e operar o DUNE, um detector de neutrino que usará argônio líquido e eletrônica avançada para capturar a passagem das partículas famosas e indescritíveis.

Em 2019, Os preparativos DUNE entraram em um novo estágio quando o Fermilab estabeleceu uma nova instalação de teste para detectores DUNE:O Criostato Integrado e Eletrônicos Construídos para Objetivos de Pesquisa Experimental, ou ICEBERG.

"O objetivo principal do DUNE é medir e compreender propriedades muito particulares do neutrino, e o ICEBERG é uma instalação onde podemos confirmar que os componentes do detector que estamos projetando atendem às especificações necessárias para que o DUNE seja bem-sucedido, "disse Rory Fitzpatrick, um estudante de pós-graduação na Universidade de Michigan que trabalha nos detectores de fótons do ICEBERG.

As partículas de matéria mais abundantes do universo, os neutrinos fornecem um campo de teste valioso para as teorias da física de partículas. Eles dificilmente interagem com nada, e eles oscilam entre três estados diferentes à medida que viajam.

Experimentos de física como o DUNE usam as propriedades dos neutrinos para iluminar as diferenças entre a matéria e a antimatéria, talvez explicando por que o universo parece ser dominado pela matéria. Os neutrinos também podem nos ensinar sobre a vida do próton e as formações de buracos negros ao longo do caminho.

Os aceleradores do Fermilab dispararão um feixe subterrâneo de partículas de neutrino por 800 milhas através da crosta terrestre - do Fermilab em Illinois ao Sanford Underground Research Facility em South Dakota. Em cada site, um detector medirá a composição do feixe e analisará como as partículas mudaram de forma ao longo de seu voo. Uma vez que os neutrinos estão interagindo tão fracamente, os detectores devem ser maciços e ultrassensíveis. Eles são essencialmente tubos gigantes de argônio líquido que são bombardeados com as partículas minúsculas. Ocasionalmente, um dos neutrinos irá interagir com o argônio e produzir partículas carregadas e fótons, ambos são detectados por vários sensores no DUNE. O detector no ICEBERG é, na verdade, uma versão em miniatura do componente DUNE que rastreia essas partículas.

Não há necessidade de enviar neutrinos altamente elusivos para detectores de partículas enquanto simplesmente testa a funcionalidade do sistema. Quando estacionado acima do solo, os detectores também podem detectar traços de raios cósmicos - criados quando partículas de alta energia do espaço sideral atingem a atmosfera - com muito mais consistência.

As assinaturas de raios cósmicos permitem que os físicos testem os componentes eletrônicos do DUNE acima do solo com sistemas de rastreamento de carga e detecção de fótons. Mais, porque os raios cósmicos são abundantes na superfície da Terra e mais fáceis de detectar do que os neutrinos, os protótipos podem ser menores e exigir muito menos argônio precioso.

O argônio líquido usado para o ICEBERG encheria a caçamba de uma caminhonete. DUNA, por comparação, requer argônio suficiente para encher 12 piscinas olímpicas. Os pesquisadores da DUNE estão testando atualmente a segunda de várias combinações de produtos eletrônicos novos e comprovados com o ICEBERG.

"Os cientistas, engenheiros e equipe técnica trabalham juntos para encontrar maneiras de melhorar continuamente o ICEBERG e manter toda a sua infraestrutura de suporte funcionando, "disse Kelly Hardin, um técnico do Fermilab que trabalha em todos os detectores de argônio líquido no Fermilab.

Uma vez que esta série de testes termina, espera-se que a eletrônica e os sensores de fótons escolhidos sejam testados em um dos detectores ProtoDUNE antes de serem produzidos em massa para uso no DUNE.

"Até aqui, todo o detector ICEBERG e a infraestrutura associada estão operando corretamente, "disse Shekhar Mishra, Cientista do Fermilab e líder de projeto do ICEBERG. "As medições estão saindo muito boas. Vimos lindas trilhas e detectamos fótons."

O processo de operação e manutenção deste e de outros detectores de protótipo prepara os cientistas para a grande liga:DUNE. Um projeto internacional de sua magnitude requer verificações de garantia rigorosas e preparação completa.

"O ICEBERG me deu a chance de sujar as mãos e apertar alguns parafusos, "disse Ivan Caro Terrazas, um estudante de graduação na Colorado State University trabalhando nos sistemas de rastreamento de partículas do ICEBERG. "Fico pasmo com quanta coordenação é necessária para um detector tão pequeno como o ICEBERG, muito menos a própria Duna. "

De muitas maneiras, ICEBERG é uma bola de cristal para DUNE - fornecendo uma visão sobre seus futuros obstáculos e requisitos.

"Mesmo executando o ICEBERG, um micro-DUNE, estamos aprendendo muito sobre o que precisamos construir, operar e gerenciar este detector enorme, "Mishra disse." ICEBERG é um esforço colaborativo de laboratórios e instituições em todo o mundo. Contamos com nossa equipe diversificada para superar os desafios e cumprir nossos objetivos. "