Med ett direktiv att leta efter fysik bortom standardmodellen och studera beteendet hos universums mest svårfångade partiklar, US Department of Energys Fermi National Accelerator Laboratorys Short-Baseline Neutrino Program har en fullständig platta.

Bestående av tre detektorer - Short-Baseline Near Detector, MicroBooNE och ICARUS - programmet kommer att utöka Fermilabs internationellt hyllade neutrino -forskningsverksamhet. Genom att studera neutrinos egenskaper med dessa detektorer, forskare kommer att lära sig mer om vilken roll dessa små partiklar spelar i universum.

På Fermilab campus, de tre detektorerna kommer att sitta förskjutna längs en rak linje, var och en sonderar en intensiv neutrinostråle. SBND, under konstruktion, kommer att vara närmast neutrinostrålekällan, bara 110 meter från området där protoner krossar ett mål och skapar en stråle av muonneutriner. MicroBooNE, som började ta data 2015, ligger 360 meter från SBND, och ICARUS, som börjar sin fysikkörning i höst, sitter 130 meter bortom MicroBooNE.

Tillsammans, dessa detektorer kommer att studera neutrinoscillationer i oöverträffad detalj. I denna process, en enda neutrino kan växla mellan de tre kända neutrino -typerna när den färdas genom rymden. Om det finns en fjärde typ av neutrino eller om neutriner beter sig annorlunda än vad nuvarande teori förutspår, forskare förväntar sig att hitta bevis för denna nya fysik i de neutrinoscillationsmönster som observerats av de tre detektorerna.

När det är klart, SBND:s detektor kommer att hängas upp i en kammare full av flytande argon. När en neutrino kommer in i kammaren och kolliderar med en argonatom, det kommer att skicka ut en spray av laddade partiklar och ljus, som detektorn kommer att spela in. Dessa signaler kommer att ge forskare informationen för att rekonstruera en exakt 3D-bild av banorna för alla partiklar som uppstod från en neutrino-argonkollision.

"Du kommer att se en bild som visar dig så mycket detaljer, och i så liten skala, " sa vetenskapsmannen Anne Schukraft, teknisk koordinator för projektet. "Om du jämför det med tidigare generationers experiment, det öppnar verkligen en ny värld av vad du kan lära dig."

Laddas upp

I batteridrivna kretsar, elektroner strömmar mellan de negativa och positiva terminalerna. I SBND, de elektroner som produceras efter neutrinokollisioner kommer att följa det elektriska fältet som skapas inuti detektorn:två anodplan och ett negativt laddat katodplan. Det här är ingen liten krets, dock. Varje plan mäter 5 gånger 4 meter, och det elektriska fältet mellan katoden och varje anod kommer att vara 500 volt per centimeter, med katoden som leder hela 100, 000 volt.

De två anodplanen, var och en gjord av ömtåliga trådar med 3 millimeters avstånd, kommer att täcka två motsatta sidoväggar på den kubformade detektorn. De kommer att samla in de elektroner som skapas av partiklar som kommer ut från kollisioner inuti detektorn, medan ljussensorer bakom dem kommer att registrera fotonerna, eller ljuspartiklar.

I mitten av detektorn, ett upprättstående plan täckt med reflekterande folie kommer att fungera som katod. Monteringsteamet sänkte det tunga katodplanet på plats i detektorns stålram i slutet av juli och räknar med att installera det första anodplanet i början av oktober. Fram till installationen, vart och ett av de ljuskänsliga lagren hålls i ett speciellt kontrollerat rent område.

När den är färdigmonterad, detektorn kommer att väga mer än 100 ton och vara fylld med argon som hålls vid minus 190 grader Celsius. Hela apparaten kommer att sitta i en kryostat, gjord av tjockt stål och isoleringspaneler som håller allt kallt. Ett komplicerat rörsystem kommer att cirkulera och filtrera flytande argon för att hålla det rent.

Neutrinoforskare, montera

Olika grupper runt om i världen – främst baserade i USA, Storbrittanien., Brasilien och Schweiz - byggde detektordelarna och skickade dem till Fermilab. Men den lagerliknande byggnaden där detektorramen monteras är inte detektorns eviga hem.

När komponenterna väl är placerade i stålramen, Teamet kommer att transportera detektorn flera mil över Fermilab-platsen till SBND-byggnaden, där besättningar konstruerar kryostaten och där detektorn faktiskt kommer att samla in sina data. Schukraft uppskattar att SBND kommer att göra sin datadebut i början av 2023.

"Det som är bra med SBND är att vi bygger det från grunden, sa Mônica Nunes, en postdoktor vid Syracuse University. "Så allt vi lär oss om den här processen kommer att vara riktigt användbart för nästa generation av neutrinoexperiment."

SBND kommer att komplettera MicroBooNE och ICARUS som triosonder för fysik bortom standardmodellen. Särskilt, forskare letar efter den sterila neutrinon, en typ av neutrino som inte interagerar med den svaga kraften. Två tidigare experiment, vätskescintillatorneutrinodetektorn vid Los Alamos National Lab och MiniBooNE på Fermilab, upptäckte anomalier som antyder förekomsten av dessa svårfångade partiklar. Genom att mäta hur neutrinoer oscillerar och skiftar typer, SBN-programmet syftar till att bekräfta eller ifrågasätta dessa anomalier och lägga till fler bevis för eller emot förekomsten av sterila neutriner.

"Tanken är att rigga en detektor riktigt nära källan till neutriner i hopp om att fånga den här typen av neutrino, sa Roberto Acciarri, medansvarig för detektoraggregatet. "Sedan, vi har en fjärrdetektor och en i mitten, för att se om vi kan se sterila neutriner när de produceras och när de oscillerar bort."

SBND-forskare kommer också att undersöka med hög precision hur neutriner interagerar med argonatomerna som fyller detektorn. Eftersom SBND sitter så nära ursprunget till neutrinostrålen, den kommer att registrera mer än en miljon neutrino-argon-interaktioner per år. Fysiken i dessa interaktioner är en viktig del av framtida neutrinoexperiment som kommer att använda flytande argon-detektorer, som Deep Underground Neutrino Experiment.

"Det är fantastiskt att se framsteg nästan dagligen, " sa Schukraft. "Vi väntar alla ivrigt på att se detta experiment börja ta data."