Det internationella Deep Underground Neutrino Experiment, eller DUNE, värd av Fermilab, kommer att bli enorm. Faktiskt, med mer än 1, 000 medarbetare från över 30 länder och fem kontinenter, det är det största internationella vetenskapsprojektet som någonsin varit värd i USA

För att förbereda sig för denna enorma strävan, partikelfysikgemenskapen har tagit DUNE-teknologier för grundliga provkörningar. Under det senaste decenniet, partikeldetektorerna ICARUS, MicroBooNE och LARIAT på Fermilab och ProtoDUNE-detektorerna på CERN har alla bidragit på ett eller annat sätt till att sammanställa den djupa bakgrundskunskap som behövs för att bygga och driva DUNE, en neutrinodetektor som kommer att använda flytande argon och avancerad elektronik för att fånga passagen av de berömda svårfångade partiklarna.

År 2019, DUNE-förberedelserna gick in i ett nytt skede när Fermilab etablerade en ny testanläggning för DUNE-detektorer:Den integrerade kryostaten och elektroniken byggd för experimentella forskningsmål, eller ISBERG.

"DUNEs primära mål är att mäta och förstå mycket speciella egenskaper hos neutrinon, och ICEBERG är en anläggning där vi kan bekräfta att detektorkomponenterna vi designar når de specifikationer som krävs för att DUNE ska bli framgångsrik, sa Rory Fitzpatrick, en doktorand vid University of Michigan som arbetar med ICEBERGs fotondetektorer.

De vanligaste materiepartiklarna i universum, neutriner utgör en värdefull testplats för partikelfysikteorier. De interagerar knappt med någonting, och de pendlar mellan tre olika tillstånd när de reser.

Fysika experiment som DUNE använder sig av neutrinos egenskaper för att belysa skillnader mellan materia och antimateria, kanske förklara varför universum verkar domineras av materia. Neutrinos kan också lära oss om protonens livstid och svarta håls formationer längs vägen.

Fermilab-acceleratorer kommer att skjuta en underjordisk stråle av neutrinopartiklar 800 miles genom jordskorpan - från Fermilab i Illinois till Sanford Underground Research Facility i South Dakota. På varje plats, en detektor kommer att mäta strålens sammansättning och analysera hur partiklarna har förändrats i form under sin flygning. Eftersom neutriner interagerar så svagt, Detektorerna måste vara massiva och ultrakänsliga. De är i huvudsak gigantiska badkar av flytande argon som bombarderas med de små partiklarna. Ibland, en av neutrinerna kommer att interagera med argon och producera laddade partiklar och fotoner, båda detekteras av olika sensorer i DUNE. Detektorn i ICEBERG är i själva verket en miniatyrversion av DUNE-komponenten som spårar dessa partiklar.

Det finns inget behov av att skicka mycket svårfångade neutriner till partikeldetektorer samtidigt som man bara testar systemets funktionalitet. När de är stationerade ovan jord, Detektorer kan också plocka upp spår från kosmiska strålar – skapade när högenergipartiklar från yttre rymden träffar atmosfären – mycket mer konsekvent.

De kosmiska strålarnas signaturer tillåter fysiker att testa DUNE-elektroniken ovan jord med laddningsspårning och fotondetektionssystem. Plus, eftersom de kosmiska strålarna är rikliga på jordens yta och lättare att upptäcka än neutriner, prototyperna kan vara mindre och kräver mycket mindre värdefullt argon.

Det flytande argon som användes för ICEBERG skulle fylla flaket på en pickup. DYN, i jämförelse, kräver tillräckligt med argon för att fylla 12 simbassänger av olympisk storlek. DUNE-forskare testar just nu den andra av flera kombinationer av ny och beprövad elektronik med ICEBERG.

"Forskarna, ingenjörer och teknisk personal arbetar tillsammans för att hitta sätt att kontinuerligt förbättra ICEBERG och hålla all dess supportinfrastruktur igång, sa Kelly Hardin, en Fermilab-tekniker som arbetar med alla flytande-argon-detektorer på Fermilab.

När denna serie av tester är slut, den valda elektroniken och fotonsensorerna förväntas testas i en av ProtoDUNE-detektorerna innan de massproduceras för användning i DUNE.

"Än så länge, hela ICEBERG-detektorn och tillhörande infrastruktur fungerar korrekt, " sa Shekhar Mishra, Fermilab-forskare och ICEBERG-projektledare. "Mätningarna kommer ut väldigt bra. Vi har sett vackra spår och upptäckt fotoner."

Processen att driva och underhålla denna och andra prototypdetektorer gör forskarna redo för den stora ligan:DUNE. Ett internationellt projekt av dess omfattning kräver rigorösa bestyrkandekontroller och noggranna förberedelser.

"ICEBERG har gett mig en chans att smutsa ner mina händer och skruva på några skruvar, " sa Ivan Caro Terrazas, en doktorand vid Colorado State University som arbetar med ICEBERGs partikelspårningssystem. "Det förvånar mig hur mycket koordination som krävs för en detektor så liten som ICEBERG, än mindre DUNE själv."

På många sätt, ICEBERG är en kristallkula för DUNE – som ger insikt om dess framtida hinder och krav.

"Till och med genom att driva ICEBERG, en mikro-DUNE, vi lär oss mycket om vad vi kommer att behöva för att bygga, driva och hantera denna massiva detektor, ", sade Mishra. "ICEBERG är ett samarbete mellan laboratorier och institutioner runt om i världen. Vi litar på vårt mångsidiga team för att driva igenom utmaningar och uppnå våra mål."