Йель участвует в создании ключевых узлов детектора DUNE, который будет регистрировать нейтрино, прошедшие сквозь 1300 км земной коры
В рамках международного эксперимента инженеры собирают системы считывания данных для гигантских подземных детекторов, размещённых в бывшей шахте на глубине около 1,5 км
Учёные из Йельского университета участвуют в разработке ключевых компонентов для детекторов международного проекта Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), одного из крупнейших экспериментов в современной физике элементарных частиц.
Проект DUNE, координируемый Fermilab, посвящён изучению нейтрино — фундаментальных частиц, которые являются одними из самых распространённых во Вселенной, но при этом крайне слабо взаимодействуют с веществом. Потоки нейтрино непрерывно проходят через Землю и человеческое тело практически без следов взаимодействия, из-за чего их часто называют «частицами-призраками».
В рамках эксперимента планируется сформировать интенсивный пучок нейтрино в штате Иллинойс и направить его на расстояние около 1300 километров сквозь земную кору к детекторам, расположенным в бывшей золотодобывающей шахте в Южной Дакоте на глубине около 1,5 км. Подземное размещение необходимо для защиты от космического излучения и фоновых сигналов, которые могут исказить результаты измерений.
Основная научная задача DUNE — сравнить поведение нейтрино и антинейтрино, а также восстановить параметры их взаимодействий. Эти данные рассматриваются как один из ключевых источников информации о том, почему во Вселенной наблюдается преобладание материи над антиматерией.
Как отметил руководитель Wright Lab Йельского университета Карстен Хигер (Karsten Heeger), масштаб подземной инфраструктуры DUNE производит сильное впечатление, подчёркивая, что речь идёт об одной из самых крупных установок в истории экспериментальной физики.
Детекторы DUNE будут основаны на технологии жидкоаргонной камеры временной проекции (Liquid Argon Time Projection Chamber, TPC) с массой около 7 килотонн. Внутри такой системы следы пролетающих частиц фиксируются по ионизации атомов аргона, после чего реконструируются в виде трёхмерных траекторий.
В Йеле, в лаборатории Wright Lab, сейчас собирают центральный элемент системы обработки сигналов — Charge Readout Planes (CRPs), специальные электронные панели, которые преобразуют следы частиц внутри жидкого аргона в цифровые данные, пригодные для анализа.
Эти панели должны работать в экстремальных условиях глубоко под землёй, где доступ к оборудованию после установки практически невозможен. Поэтому перед отправкой каждый модуль проходит жёсткие испытания в криогенной камере с полным погружением в жидкий азот, имитирующим низкие температуры детектора.
По словам Тайлера Стоукса (Tyler Stokes), возглавляющего сборку в Йеле, после отправки в Южную Дакоту оборудование уже не будет проходить повторных испытаний до момента полной установки, что делает лабораторную проверку критически важным этапом.
Проект реализуется в тесном международном сотрудничестве, в котором участвуют CERN, Брукхейвенская национальная лаборатория и ряд университетов, включая Индианский университет. Отдельные элементы инфраструктуры, включая массивные стальные конструкции весом около 10 миллионов фунтов, были спущены в подземные шахты в рамках подготовительных работ.
По словам участников проекта, переход от теоретической физики к инженерной реализации оказался особенно наглядным: отдельные элементы детектора по своим масштабам превосходят размеры лабораторий, в которых работают исследователи.
Запуск регистрации атмосферных нейтрино в DUNE запланирован на 2029 год, а первый запуск пучка нейтрино через ускоритель Фермилаба — на 2031 год. Если проект будет реализован по графику, он позволит получить данные, которые могут приблизить понимание фундаментального вопроса о происхождении материи во Вселенной.