En ny era inom neutrinofysik i USA pågår, och UW – Madisons Physical Sciences Laboratory (PSL) i Stoughton spelar en nyckelroll.

Neutrino-anläggningen med lång baslinje, hem till 2 miljarder dollar Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), kommer så småningom att skicka partiklar 800 miles genom jorden från ett labb utanför Chicago till en mildjup detektor i en inaktiv guldgruva i Black Hills i South Dakota.

Neutrinoer är föga förstådda, men deras roll för att förstå materia och universums dynamik växer när vetenskapen fortsätter att lära sig mer om de gåtfulla partiklarna genom en konstellation av nya och exotiska detektorer, inklusive det nya DUNE -experimentet.

Banbrytande ceremonier för Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) kommer att hållas samtidigt idag på Sanford Lab i South Dakota och på Fermilab i Illinois.

Anläggningen kommer att tillhandahålla neutrino -strålen och den infrastruktur som kommer att stödja DUNE -detektorerna, utnyttjar Fermilabs kraftfulla partikelacceleratorkomplex och Sanford Labs djupa underjordiska områden inom en lång, befintlig tunnel huggen ut under guldgruvdagen på 1930 -talet.

När den första spaden av jorden har vänt besättningar kommer att gräva mer än 800, 000 ton sten - ungefär vikten av åtta hangarfartyg - för att skapa enorma underjordiska grottor för montering av enorma partikeldetektorer, allt för att bättre förstå den mystiska neutrinon. DUNE blev tänkt, designad och kommer att byggas av ett team på 1, 000 forskare och ingenjörer från mer än 30 länder och 160 institutioner, inklusive UW – Madison.

Faktiskt, när DUNE är i drift år från nu, den kommer att förlita sig på anodpaneler (APA) byggda vid Stoughton UW-laboratoriet.

Detektorerna kommer att bestå av stora paneler (APA) som kommer att vara nedsänkta i flytande argon. APA:erna består av ultratunna trådar lindade runt metall. Varje sammansättning som skapas vid UW:s PSL består av en ram i rostfritt stål som är 20 fot lång, ett lager kopparnät, och nästan 15 miles av mycket tunn (150 mikron diameter) kopparberylliumtråd lindad runt den i fyra lager. Tråden är sedan ansluten till ett kretskort för att spåra neutrinoer.

Övervakning av PSL:s arbete med DUNE är laboratoriets chef, Bob Paulos. "APA:erna är verkligen detektorns hjärta, Säger Paulos.

PSL kommer att bygga tre APA för ett prototypförsök som heter ProtoDUNE. UW – Madison samarbetar med flera institutioner i Storbritannien, som kommer att bygga ytterligare tre prototyp APA:er med PSL:s design. De har byggt en exakt kopia av PSL-trådlindningsroboten tillsammans med allt annat verktyg som är nödvändigt för att bygga enheterna.

Att säkerställa specifik trådspänning och stigning är avgörande för APA:s framgång.

"Den ultimata planen är att bygga fyra detektormoduler under jorden i South Dakota. Varje modul kommer att vara två tredjedelar av en fotbollsplan och omfatta 150 APA, "Säger Paulos. Byggandet av modulerna förväntas börja 2020.

PSL kommer att ansluta sig till ett par andra laboratorier för att bygga den fulla uppsättningen APA:er som behövs för fullskalig DUNE-detektor.

"Det finns mycket internationellt samarbete kring detta projekt, "Paulos säger." Det kommer att ta globala bidrag för att få DUNE att hända och vi är glada över att PSL spelar en viktig roll. "

Förutom att bygga APA, UW – Madison lab har utformat och byggt detektorstruktursupport för projektet. En PSL -ingenjör och tekniker är på CERN (European Organization for Nuclear Research) som hjälper till att sätta ihop hårdvaran för ProtoDUNE.

"Med detta banbrytande, UW–Madisons Physical Sciences Laboratory når ytterligare en prestation i sin redan lysande historia inom global neutrinoforskning, "säger Marsha Mailick, UW – Madison rektor för forskning och forskarutbildning. "Fysikaliska vetenskapslaboratoriet har spelat en integrerad roll i framgången med så sofistikerade vetenskapliga experiment som IceCube Neutrino -observatoriet på sydpolen och Large Hadron Collider vid CERN i Schweiz."

"Det här har varit en stor laginsats på PSL med människor som arbetar långa timmar för att klara mycket snäva deadlines för att hålla projektet på rätt spår, ", säger Paulos. "Nästan alla som arbetar på PSL har varit med i det här projektet vid ett eller annat tillfälle, med en kärngrupp på cirka ett dussin personer som främst arbetade med projektet under ett år."

Varför UW – Madison Physical Sciences Laboratory?

"PSL har en lång historia av att arbeta inom högenergifysik, "förklarar Paulos." Det, tillsammans med det faktum att vi har rätt blandning av teknik, expertis inom design och tillverkning, samt toppmoderna maskiner och en elektronikbutik som är tillräckligt stor för att bygga APA:erna i ett rent monteringsområde, positionerar oss för att kunna utföra den här typen av arbete. "

PSL har hittills slutfört cirka 10 miljoner dollar i arbetet med DUNE -projektet.

Den första APA skickades från PSL den 7 juli och anlände till CERN den 12 juli. Panelen är en del av ProtoDUNE -detektorn, en prototyp för den massiva Far Detector som så småningom kommer att inrymmas under jorden i South Dakota. Far Detector är en tidsprojektionskammare (TPC), en typ av partikeldetektor som använder ett starkt elektroniskt fält tillsammans med en känslig volym gas eller vätska för att utföra en tredimensionell rekonstruktion av en partikelbana eller interaktion. När det gäller DUNE, TPC kommer att placeras i en kryostat fylld med argon.

Så småningom, DUNE kommer att bestå av två partikeldetektorer placerade i världens mest intensiva neutrino -stråle. En detektor registrerar partikelinteraktioner nära strålkällan, på Fermilab, medan den andra, fylld med 70, 000 ton flytande argon och kyls till –300 grader Fahrenheit, kommer att ta ögonblicksbilder av interaktioner djupt under jorden på Sanford Lab.

När neutrinos interagerar med den kalla vätskan, de skapar en dusch av andra partiklar och ljus. Dessa partikelspår plockas sedan upp av APA -elektronik och överförs som data till ytan.

Neutrinos är de mest förekommande partiklarna av materia i universum, men mycket lite är känt om deras roll i hur universum utvecklades. DUNE kommer att göra det möjligt för forskare att leta efter skillnader i beteendet hos neutrinoer och deras antimateria -motsvarigheter, antineutrinos, som kan ge viktiga ledtrådar om varför vi lever i ett materiedominerat universum-med andra ord, varför vi alla är här, istället för att vårt universum förstördes strax efter Big Bang.

DUNE kommer också att titta på neutrinoer producerade av supernovor, som forskare kan använda för att leta efter bildandet av neutronstjärnor eller till och med svarta hål. De stora DUNE-detektorerna kommer också att tillåta forskare att leta efter det förutsagda men aldrig observerade subatomära fenomenet protonförfall, en process som är nära knuten till utvecklingen av en enhetlig teori om energi och materia.