L'expérience internationale Deep Underground Neutrino, ou DUNE, hébergé par Fermilab, sera énorme. En réalité, avec plus de 1, 000 collaborateurs de plus de 30 pays et des cinq continents, c'est le plus grand projet scientifique international jamais organisé aux États-Unis.

Pour se préparer à cet énorme effort, la communauté de la physique des particules a utilisé les technologies DUNE pour des essais approfondis. Au cours de la dernière décennie, les détecteurs de particules ICARUS, MicroBooNE et LArIAT au Fermilab et les détecteurs ProtoDUNE au CERN ont tous contribué d'une manière ou d'une autre à la compilation des connaissances de base nécessaires pour construire et exploiter DUNE, un détecteur de neutrinos qui utilisera de l'argon liquide et une électronique avancée pour capturer le passage des fameuses particules insaisissables.

En 2019, Les préparatifs de DUNE sont entrés dans une nouvelle étape alors que le Laboratoire Fermi a établi une nouvelle installation d'essai pour les détecteurs DUNE :le cryostat et l'électronique intégrés construits pour les objectifs de recherche expérimentale, ou ICEBERG.

"L'objectif premier de DUNE est de mesurer et de comprendre des propriétés très particulières du neutrino, et ICEBERG est une installation où nous pouvons confirmer que les composants du détecteur que nous concevons atteignent les spécifications nécessaires au succès de DUNE, " a déclaré Rory Fitzpatrick, un étudiant diplômé de l'Université du Michigan travaillant sur les détecteurs de photons d'ICEBERG.

Les particules de matière les plus abondantes de l'univers, les neutrinos constituent un terrain d'essai précieux pour les théories de la physique des particules. Ils interagissent à peine avec quoi que ce soit, et ils oscillent entre trois états différents lorsqu'ils voyagent.

Des expériences de physique telles que DUNE utilisent les propriétés des neutrinos pour éclairer les différences entre la matière et l'antimatière, expliquant peut-être pourquoi l'univers semble être dominé par la matière. Les neutrinos peuvent également nous renseigner sur la durée de vie du proton et les formations de trous noirs en cours de route.

Les accélérateurs du Fermilab projetteront un faisceau souterrain de particules de neutrinos à 800 milles à travers la croûte terrestre, du Fermilab dans l'Illinois à l'installation de recherche souterraine de Sanford dans le Dakota du Sud. Sur chaque site, un détecteur mesurera la composition du faisceau et analysera comment les particules ont changé de forme au cours de leur vol. Étant donné que les neutrinos interagissent si faiblement, les détecteurs doivent être massifs et ultrasensibles. Ce sont essentiellement des pots géants d'argon liquide qui sont bombardés de minuscules particules. Parfois, l'un des neutrinos va interagir avec l'argon et produire des particules chargées et des photons, les deux sont détectés par divers capteurs dans DUNE. Le détecteur d'ICEBERG est en fait une version miniature du composant DUNE qui traque ces particules.

Il n'est pas nécessaire d'envoyer des neutrinos très insaisissables aux détecteurs de particules tout en testant simplement la fonctionnalité du système. Lorsqu'il est stationné au-dessus du sol, les détecteurs peuvent également détecter des traces de rayons cosmiques, créés lorsque des particules à haute énergie provenant de l'espace extra-atmosphérique frappent l'atmosphère, de manière beaucoup plus cohérente.

Les signatures des rayons cosmiques permettent aux physiciens de tester l'électronique DUNE au-dessus du sol avec des systèmes de suivi de charge et de détection de photons. Plus, parce que les rayons cosmiques sont abondants à la surface de la Terre et plus faciles à détecter que les neutrinos, les prototypes peuvent être plus petits et nécessitent beaucoup moins d'argon précieux.

L'argon liquide utilisé pour l'ICEBERG remplirait le lit d'une camionnette. DUNE, par comparaison, nécessite suffisamment d'argon pour remplir 12 piscines olympiques. Les chercheurs de DUNE testent actuellement la deuxième de plusieurs combinaisons d'électronique nouvelle et éprouvée avec ICEBERG.

"Les scientifiques, les ingénieurs et le personnel technique travaillent ensemble pour trouver des moyens d'améliorer continuellement l'ICEBERG et de maintenir toute son infrastructure de support en fonctionnement, " a déclaré Kelly Hardin, un technicien du Fermilab qui travaille sur tous les détecteurs à argon liquide du Fermilab.

Une fois cette série de tests terminée, l'électronique et les capteurs photoniques choisis devraient être testés dans l'un des détecteurs ProtoDUNE avant d'être produits en série pour être utilisés dans DUNE.

"Jusque là, l'ensemble du détecteur ICEBERG et de l'infrastructure associée fonctionnent correctement, " dit Shekhar Mishra, Scientifique Fermilab et chef de projet ICEBERG. "Les mesures sont très bonnes. Nous avons vu de belles traces et détecté des photons."

Le processus d'exploitation et de maintenance de ce détecteur et d'autres prototypes de détecteurs prépare les scientifiques à la grande ligue :DUNE. Un projet international de cette ampleur nécessite des contrôles d'assurance rigoureux et une préparation minutieuse.

"ICEBERG m'a donné une chance de me salir les mains et de tourner des vis, " a déclaré Ivan Caro Terrazas, un étudiant diplômé de la Colorado State University travaillant sur les systèmes de suivi des particules d'ICEBERG. "Cela me surprend à quel point la coordination est nécessaire pour un détecteur aussi petit qu'ICEBERG, sans parler de DUNE elle-même."

De plusieurs façons, ICEBERG est une boule de cristal pour DUNE, donnant un aperçu de ses futurs obstacles et exigences.

"Même en exécutant ICEBERG, une micro-DUNE, nous en apprenons beaucoup sur ce que nous allons devoir construire, exploiter et gérer ce détecteur massif, " Mishra a déclaré. "ICEBERG est un effort de collaboration de laboratoires et d'institutions du monde entier. Nous comptons sur notre équipe diversifiée pour relever les défis et atteindre nos objectifs. »