Факт 1: мета DUNE – не лише нейтрино

Більша частина експерименту покликана вивчити нейтрино: їх переміщення в просторі, те, як вони надходять з зірок, що вибухнули, відмінності між нейтрино та частинками антиматерії. Проте розмір детекторів DUNE є ідеальним для пошуку ознак розпаду протона. Згідно з однією з теорій, під час розпаду протони утворюють сигнал, який і планують виявити під час експерименту. Однак строк служби протона приблизно такий же як і час існування нашого Всесвіту. Й через те, що розпад цієї частинки є такою рідкісною подією, вченим необхідно контролювати їх якомога більше.

Факт 2: нейтринний промінь буде направлений з Іллінойсу в Південну Дакоту

Пучок нейтрино в ході експерименту DUNE буде націлений на 1300 км крізь землю від Національної прискорювальної лабораторії імені Енріко Фермі (або просто Фермілаб) до Сенфордського підземного дослідницького об’єкта. Однак для цього не потрібен буде тунель. Поширення пучку нейтрино відбуватиметься подібно до променя від ліхтарика, але його центр має бути якомога точніше спрямований, щоб максимальна кількість нейтрино створила сигнал. Через те, що нейтрино електрично нейтральні, вони не можуть бути скеровані з допомогою магнітних полів.

Для вирівнювання нейтрино необхідно буде використати GPS, щоб прив’язати підземну карту Сенфордської лабораторії до координат географічної системи Фермілаб. Крім того частина процесу вимагає відображення підземних точок на поверхні Землі. Щоб зробити це, заплановано використати дуже міцну волосінь, яка буде опущена в шахту на глибину майже 1,5 км. Волосінь буде прикріплена до важкого тягарця. Останній, для послаблення руху маятника, буде опущено в бочку з маслом. Місце положення лінії фіксуватиме лазерний трекер.

Факт 3: під землею для експерименту будуть створені гігантські шахти

Щоб створити печери достатніх розмірів для детекторів DUNE, шахтарі повинні будуть підірвати та прибрати 800 000 тонн каменю в 1 600 м під землею. Це ваговий еквівалент 80 Ейфелевих веж, 4 700 блакитних китів та 2,2 Емпайр-Стейт-Білдінг.

Факт 4: внутрішня частина детекторів DUNE буде мати температуру майже як атмосфера Сатурна

Матеріалом для заповнення детекторів DUNE стане аргон в рідкій формі. Він складає всього 1% повітря, яким ми дихаємо. Для того, щоб аргон зберігав форму рідини, кріогенна система повинна буде підтримувати температуру близько -184 градусів Цельсія. Це трошки холодніше, ніж температура аміачних хмар у верхній атмосфері Сатурна.

У ході експерименту трильйони нейтрино будуть проходити крізь прозорий аргон, й лише частина їх буде взаємодіяти з його ядром. Однак в результаті цієї взаємодії виникатимуть інші частинки, котрі утворять світло та випустять вільні електрони. Обидві частинки можуть бути записані та перетворені на дані, котрі точно вкажуть, коли та як нейтрино взаємодіяли.

Факт 5: Дизайн начиння детекторів DUNE був натхнений велетенськими транспортними кораблями для газу.

Набір з 4-х детекторів DUNE стане найбільшим кріогенним інструментом з будь-коли встановлених під землею. Досі велетенські об’єми рідини необхідно було зберігати та охолоджувати лише газовій промисловості. Тому в DUNE буде використано мембранну систему, аналогічну тій, що використовується на суднах з рідким природним газом. Вона являтиме собою раму з нержавіючої сталі всередині ізоляційного шару, все це буде затиснуте між алюмінієвими шарами. Ця конструкція повинна буде підтримувати аргон в рідкому стані саме в тому місці, де він повинен буде взаємодіяти з нейтрино.

Факт 6: модулі детектора DUNE будуть здатні стискатися з 58 м до 16,5 см

Велетенські детектори модулів DUNE будуть розміщуватися в Південній Дакоті та матимуть довжину близько 58 метрів. Однак при охолодженні до -184 градусів Цельсія вони будуть здатні стискатися до 16,5 см. При цьому зовнішня коробка, в якій будуть зберігатися компоненти холодного матеріалу та детектори, виживе завдяки своїй конструкції на кшталт оригамі. Вона буде виготовлена з квадратних панелей зі складками з різних боків, які формуватимуть опуклості біля кожного квадрату. Завдяки цим складкам матеріал лишатиметься одного й того ж розміру, проте всередині компоненти будуть перебувати в русі. Цікаво, що багато елементів детектора будуть кріпитися до стелі за допомогою динамічних систем підвіски, яка дозволить їм переміщатися під час охолодження.

Факт 7: дослідникам необхідний новий тип щита

Для того, щоб створити для DUNE більш потужний пучок частинок, у Фермілаб має бути встановлений надпровідниковий лінійний колайдер. Потужність пучка нового прискорювача буде передаватися миттєвими імпульсами потужністю близько 150 гігаватів. А це еквівалентно одночасному вмиканню на долю секунди 15 мільярдів ламп накалювання потужністю 100 Вт кожна. Однак, щоб мати можливість створити високоенергетичний нейтринний промінь, науковцям необхідно буде побудувати новий тип щита для протистояння шквалу частинок.

Щити — це матеріали, з яким взаємодіє пучок протонів для отримання нейтрино. Зараз у Фермілаб використовуються різні типи щитів: один з графітовими плитками та водяним охолодженням, інший — берилій з повітряним охолодженням. Проте наразі інженери працюють над новим циліндричним щитом з геліє-газовим охолодженням.

Факт 8: для одного компонента тестового детектора ProtoDUNE необхідно майже 24 км дроту

Перш ніж будувати детектори нейтрино на глибині майже 1,5 км під землею, вчені хочуть бути певні, що вони працюватимуть. Наразі в CERN будується тестовий детектор ProtoDUNE, де випробовуються так звані “модулі анодних площин”. Це панелі, що складаються майже з 24 км щільно натягнутого дроту. Товщина його лише 150 мікронів (приблизна товщина двох людських волосків). Ця панель повинна буде притягувати та виявляти частинки, які утворюватимуться під час взаємодії нейтрино з рідким аргоном. Для DUNE потрібні будуть сотні таких панелей.

Факт 9: DUNE буде найбільш високовольтним експериментом у світі з рідким аргоном

Чотири DUNE-модулі дальнього виявлення будуть використовувати електричні компоненти, що мають назву клітки полів. Вони будуть захоплювати траєкторії частинок, що приводитимуться в дію нейтринною взаємодією. Кожен модуль матиме клітки полів різної конструкції, одні матимуть напругу близько 180 000 вольтів (що в 1500 разів більше за напругу тостера), інші — 600 000 вольтів. Й це значно перевершує напругу, використану в попередніх експериментах (наприклад, MicroBooNE та ICARUS працювали в межах 70 000-80 000 вольтів). Однак використання такої напруги вимагає ретельності та справжньої конструкторської креативності навіть в таких питаннях, як розробка дротів.

Факт 10: DUNE зможе засікти вибухи наднових

Через те, що нейтрино дуже рідко взаємодіє з іншими речовинами, вченим, щоб спіймати кілька нейтрино, потрібно відправити таких трильйони. Загалом, науковці передбачають, що в звичайний будній день система здатна буде захопити приблизно 10 нейтрино. Проте в момент вибуху наднової зірки їх вивільняється так багато, що детектор зможе бачити кілька тисяч нейтрино протягом кількох секунд за умови, якщо зірка вибухнула в нашій галактиці. А, це на хвилиночку, 50 терабайтів даних кожні 10 секунд. Зараз спеціальна група проекту розробляє кращий спосіб фіксувати таку велетенську кількість даних від наднової.

Дізнатись більше :

symmetry magazine, symmetry magazine