En septembre, Anne Schukraft regarde les supports de support à isolation électrique qui suspendent le poids de la cathode et des composants de connexion par le haut sur le détecteur de proximité à base courte. Crédit :Ryan Postel, Laboratoire Fermi
Avec pour directive de rechercher une physique au-delà du modèle standard et d'étudier le comportement des particules les plus insaisissables de l'univers, le programme Short-Baseline Neutrino du Fermi National Accelerator Laboratory du département de l'Énergie des États-Unis a une assiette pleine.
Composé de trois détecteurs :le détecteur proche de la ligne de base courte, MicroBooNE et ICARUS :le programme étendra les activités de recherche sur les neutrinos du Fermilab, de renommée internationale. En étudiant les propriétés des neutrinos avec ces détecteurs, les scientifiques en apprendront davantage sur le rôle que jouent ces minuscules particules dans l'univers.
Sur le campus du Fermilab, les trois détecteurs seront placés en quinconce le long d'une ligne droite, chacun sondant un faisceau de neutrinos intense. SBND, En construction, sera le plus proche de la source du faisceau de neutrinos, à seulement 110 mètres de la zone où les protons percutent une cible et créent un faisceau de neutrinos de muons. MicroBooNE, qui a commencé à prendre des données en 2015, se trouve à 360 mètres de SBND, et ICARE, qui commencera sa course de physique cet automne, se trouve à 130 mètres au-delà de MicroBooNE.
Ensemble, ces détecteurs étudieront les oscillations des neutrinos avec un niveau de détail sans précédent. Dans ce processus, un seul neutrino peut se déplacer entre les trois types de neutrinos connus lors de son voyage dans l'espace. S'il existe un quatrième type de neutrinos ou si les neutrinos se comportent différemment de ce que la théorie actuelle prédit, les scientifiques espèrent trouver des preuves de cette nouvelle physique dans les schémas d'oscillation des neutrinos observés par les trois détecteurs.
Quand fini, le détecteur du SBND sera suspendu dans une chambre remplie d'argon liquide. Lorsqu'un neutrino pénètre dans la chambre et entre en collision avec un atome d'argon, il enverra un jet de particules chargées et de lumière, que le détecteur enregistrera. Ces signaux fourniront aux scientifiques les informations nécessaires pour reconstruire une image 3D précise des trajectoires de toutes les particules issues d'une collision neutrino-argon.
"Vous verrez une image qui vous montre tellement de détails, et à si petite échelle, " a déclaré la scientifique Anne Schukraft, coordinateur technique du projet. « Si vous le comparez aux expériences de la génération précédente, cela ouvre vraiment un nouveau monde de ce que vous pouvez apprendre."
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Dans les circuits alimentés par batterie, les électrons circulent entre les bornes négative et positive. Dans SBND, les électrons produits suite aux collisions de neutrinos suivront le champ électrique créé à l'intérieur du détecteur :deux plans anodiques et un plan cathodique chargé négativement. Ce n'est pas un petit circuit, toutefois. Chaque avion mesure 5 par 4 mètres, et le champ électrique entre la cathode et chaque anode sera de 500 volts par centimètre, avec la cathode conduisant un énorme 100, 000 volts.
Les deux plans anodiques, chacun fait de fils délicats espacés de 3 millimètres, couvrira deux parois latérales opposées du détecteur en forme de cube. Ils vont collecter les électrons créés par les particules issues des collisions à l'intérieur du détecteur, tandis que les capteurs de lumière derrière eux enregistreront les photons, ou des particules de lumière.
En septembre, le plan cathodique SBND avec les modules de cage de champ inférieurs installés dans le châssis de transport de l'ensemble. La structure du tube du cadre cathodique contient 16 panneaux réfléchissants double face à décalage de longueur d'onde, ici recouvert de plastique noir pour protéger de l'exposition à la lumière. Crédit :Ryan Postel, Laboratoire Fermi
Au milieu du détecteur, un plan vertical recouvert d'une feuille réfléchissante fera office de cathode. L'équipe d'assemblage a abaissé le plan cathodique lourd en place dans le cadre en acier du détecteur fin juillet et prévoit d'installer le premier plan anodique début octobre. Jusqu'à l'installation, chacune des couches photosensibles est conservée dans une zone propre contrôlée spéciale.
Une fois entièrement assemblé, le détecteur pèsera plus de 100 tonnes et sera rempli d'argon maintenu à moins 190 degrés Celsius. L'ensemble de l'appareil reposera dans un cryostat, fait d'acier épais et de panneaux isolants qui gardent tout au froid. Un système de tuyauterie compliqué fera circuler et filtrera l'argon liquide pour le garder propre.
Scientifiques neutrino, assembler
Différents groupes à travers le monde, principalement basés aux États-Unis, la Grande-Bretagne., Le Brésil et la Suisse ont construit les pièces du détecteur et les ont expédiées au Laboratoire Fermi. Mais le bâtiment ressemblant à un entrepôt où le cadre du détecteur est assemblé n'est pas la maison pour toujours du détecteur.
Une fois les composants placés dans le cadre en acier, l'équipe transportera le détecteur sur plusieurs kilomètres à travers le site du Fermilab jusqu'au bâtiment SBND, où les équipes construisent le cryostat et où le détecteur collectera réellement ses données. Schukraft estime que SBND fera ses débuts dans les données au début de 2023.
"La bonne chose à propos de SBND est que nous le construisons à partir de zéro, " a déclaré Monica Nunes, chercheur postdoctoral à l'Université de Syracuse. "Donc, tout ce que nous apprenons sur ce processus sera vraiment utile pour la prochaine génération d'expériences sur les neutrinos."
SBND complétera MicroBooNE et ICARUS en tant que trois sondes pour la physique au-delà du modèle standard. En particulier, les chercheurs recherchent le neutrino stérile, un type de neutrino qui n'interagit pas avec la force faible. Deux expériences préalables, le détecteur de neutrinos à scintillateur liquide au Los Alamos National Lab et le MiniBooNE au Fermilab, découvert des anomalies qui suggèrent l'existence de ces particules insaisissables. En mesurant comment les neutrinos oscillent et changent de type, le programme SBN vise à confirmer ou à contester ces anomalies et à ajouter davantage de preuves pour ou contre l'existence de neutrinos stériles.
"L'idée est d'installer un détecteur très près de la source de neutrinos dans l'espoir d'attraper ce genre de neutrinos, " a déclaré Roberto Acciarri, co-responsable de l'ensemble des détecteurs. "Puis, nous avons un détecteur éloigné et un au milieu, pour voir si nous pouvons voir les neutrinos stériles lorsqu'ils sont produits et lorsqu'ils s'éloignent par oscillation."
Les chercheurs du SBND examineront également avec une grande précision comment les neutrinos interagissent avec les atomes d'argon qui remplissent le détecteur. Parce que SBND se trouve si près de l'origine du faisceau de neutrinos, il enregistrera plus d'un million d'interactions neutrino-argon par an. La physique de ces interactions est un élément important des futures expériences sur les neutrinos qui utiliseront des détecteurs à argon liquide, comme l'expérience Deep Underground Neutrino.
"C'est super de voir des progrès presque quotidiennement, " a déclaré Schukraft. "Nous attendons tous avec impatience de voir cette expérience commencer à prendre des données."
