Une nouvelle ère de la physique des neutrinos aux États-Unis est en marche, et le laboratoire de sciences physiques (PSL) de l'UW-Madison à Stoughton joue un rôle clé.

L'installation de neutrinos à longue base, abrite l'expérience Deep Underground Neutrino (DUNE) de 2 milliards de dollars, finira par envoyer des particules à 800 miles à travers la terre d'un laboratoire à l'extérieur de Chicago à un détecteur de mile de profondeur dans une mine d'or inactive dans les Black Hills du Dakota du Sud.

Les neutrinos sont méconnus, mais leur rôle dans la compréhension de la matière et de la dynamique de l'univers augmente à mesure que la science continue d'en apprendre davantage sur les particules énigmatiques à travers une constellation de détecteurs nouveaux et exotiques, y compris la nouvelle expérience DUNE.

Les cérémonies d'inauguration des travaux du Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) se tiendront simultanément aujourd'hui au Sanford Lab dans le Dakota du Sud et au Fermilab dans l'Illinois.

L'installation fournira le faisceau de neutrinos et l'infrastructure qui soutiendra les détecteurs DUNE, en profitant du puissant complexe d'accélérateurs de particules de Fermilab et des zones souterraines profondes de Sanford Lab dans un long, tunnel existant creusé à l'époque de l'extraction de l'or dans les années 1930.

Une fois la première pelle de terre tournée, les équipes en fouilleront plus de 800, 000 tonnes de roche - environ le poids de huit porte-avions - pour créer d'immenses cavernes souterraines pour l'assemblage d'énormes détecteurs de particules, le tout pour mieux comprendre le mystérieux neutrino. DUNE a été conçu, conçu et sera construit par une équipe de 1, 000 scientifiques et ingénieurs de plus de 30 pays et 160 institutions, y compris UW-Madison.

En réalité, lorsque DUNE sera opérationnel dans des années, il s'appuiera sur des assemblages de panneaux anodiques (APA) construits au laboratoire de Stoughton UW.

Les détecteurs seront constitués de grands panneaux (les APA) qui seront immergés dans l'argon liquide. Les APA sont constitués de fils ultrafins enroulés autour du métal. Chaque assemblage créé au PSL de l'UW se compose d'un cadre en acier inoxydable de 20 pieds de long, une couche de treillis en cuivre, et près de 15 miles de fil de cuivre au béryllium très fin (150 microns de diamètre) enroulé autour de lui en quatre couches. Le fil est ensuite attaché à un circuit imprimé pour suivre les neutrinos.

Le directeur du laboratoire supervise les travaux de PSL sur DUNE, Bob Paulos. « Les APA sont vraiment le cœur du détecteur, " dit Paulos.

PSL construira trois APA pour une expérience prototype appelée ProtoDUNE. UW-Madison collabore avec plusieurs institutions au Royaume-Uni, qui construira trois autres APA prototypes utilisant la conception de PSL. Ils ont construit une copie exacte du robot d'enroulement de fil PSL ainsi que tous les autres outils nécessaires à la construction des appareils.

Assurer une tension et un pas de fil spécifiques est essentiel au succès des APA.

« Le plan ultime est de construire quatre modules de détection sous terre dans le Dakota du Sud. Chaque module aura les deux tiers de la taille d'un terrain de football et comprendra 150 APA, " dit Paulos. La construction des modules devrait commencer en 2020.

PSL rejoindra quelques autres laboratoires pour construire la suite complète d'APA nécessaires au détecteur DUNE à grande échelle.

« Il y a beaucoup de coopération internationale sur ce projet, ", a déclaré Paulos. "Il faudra des contributions mondiales pour faire de DUNE une réalité et nous sommes ravis que PSL joue un rôle important."

En plus de construire des APA, le laboratoire UW-Madison a conçu et construit un support de structure de détecteur pour le projet. Un ingénieur et un technicien de PSL sont au CERN (Organisation européenne pour la recherche nucléaire) pour aider à assembler le matériel de ProtoDUNE.

"Avec cette innovation, Le laboratoire de sciences physiques de l'UW-Madison atteint une autre réalisation dans son histoire déjà illustre dans la recherche mondiale sur les neutrinos, " dit Marsha Mailick, UW-Madison vice-chancelier pour la recherche et l'enseignement supérieur. "Le Laboratoire des sciences physiques a joué un rôle essentiel dans le succès d'expériences scientifiques aussi sophistiquées que l'Observatoire IceCube Neutrino au pôle Sud et le Grand collisionneur de hadrons au CERN en Suisse."

« Ce fut un grand effort d'équipe chez PSL avec des personnes travaillant de longues heures pour respecter des délais très serrés afin de maintenir le projet sur la bonne voie, " dit Paulos. " Presque tous ceux qui travaillent chez PSL ont participé à ce projet à un moment ou à un autre, avec un noyau dur d'environ une douzaine de personnes travaillant principalement sur le projet pendant un an."

Pourquoi le laboratoire de sciences physiques UW-Madison ?

« PSL travaille depuis longtemps dans le domaine de la physique des hautes énergies, " explique Paulos. " Ça, avec le fait que nous avons la bonne combinaison d'ingénierie, expertise en conception et fabrication, ainsi que des machines de pointe et un atelier d'électronique suffisamment grand pour construire les APA dans une zone de montage propre, nous positionne pour pouvoir faire ce genre de travail.

PSL a réalisé à ce jour environ 10 millions de dollars de travaux sur le projet DUNE.

Le premier APA a été expédié du PSL le 7 juillet et est arrivé au CERN le 12 juillet. Le panneau fait partie du détecteur ProtoDUNE, un prototype pour l'énorme détecteur de distance qui sera finalement logé sous terre dans le Dakota du Sud. Le détecteur de distance est une chambre à projection temporelle (TPC), un type de détecteur de particules qui utilise un champ électronique puissant avec un volume sensible de gaz ou de liquide pour effectuer une reconstruction tridimensionnelle d'une trajectoire ou d'une interaction de particules. Dans le cas de DUNE, le TPC sera positionné dans un cryostat rempli d'argon.

Finalement, DUNE consistera en deux détecteurs de particules placés dans le faisceau de neutrinos le plus intense au monde. Un détecteur enregistrera les interactions des particules près de la source du faisceau, au Laboratoire Fermi, tandis que l'autre, rempli de 70, 000 tonnes d'argon liquide et refroidi à -300 degrés Fahrenheit, prendra des instantanés d'interactions en profondeur au laboratoire de Sanford.

Comme les neutrinos interagissent avec le liquide froid, ils créent une pluie d'autres particules et de lumière. Ces traces de particules sont ensuite captées par l'électronique APA et transmises sous forme de données à la surface.

Les neutrinos sont les particules de matière les plus abondantes dans l'univers, pourtant, on sait très peu de choses sur leur rôle dans l'évolution de l'univers. DUNE permettra aux scientifiques de rechercher des différences de comportement des neutrinos et de leurs homologues antimatière, antineutrinos, qui pourraient fournir des indices essentiels sur la raison pour laquelle nous vivons dans un univers dominé par la matière, en d'autres termes, pourquoi nous sommes tous ici, au lieu que notre univers ait été anéanti juste après le Big Bang.

DUNE surveillera également les neutrinos produits par les supernovae, que les scientifiques peuvent utiliser pour rechercher la formation d'étoiles à neutrons ou même de trous noirs. Les grands détecteurs DUNE permettront également aux scientifiques de rechercher le phénomène subatomique prédit mais jamais observé de la désintégration du proton, un processus étroitement lié au développement d'une théorie unifiée de l'énergie et de la matière.