È in corso una nuova era della fisica dei neutrini negli Stati Uniti, e l'UW–Madison's Physical Sciences Laboratory (PSL) a Stoughton sta svolgendo un ruolo chiave.

La struttura dei neutrini a base lunga, sede del Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) da 2 miliardi di dollari, alla fine invierà particelle a 800 miglia attraverso la terra da un laboratorio fuori Chicago a un rivelatore profondo un miglio in una miniera d'oro inattiva nelle Black Hills del South Dakota.

I neutrini sono poco compresi, ma il loro ruolo nella comprensione della materia e della dinamica dell'universo sta crescendo man mano che la scienza continua a conoscere meglio le particelle enigmatiche attraverso una costellazione di rivelatori nuovi ed esotici, compreso il nuovo esperimento DUNE.

Le cerimonie rivoluzionarie per la Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) si terranno contemporaneamente oggi al Sanford Lab in South Dakota e al Fermilab in Illinois.

La struttura fornirà il fascio di neutrini e l'infrastruttura che supporterà i rivelatori DUNE, sfruttando il potente complesso di acceleratori di particelle del Fermilab e le profonde aree sotterranee del Sanford Lab in un lungo, tunnel esistente scavato durante i giorni dell'estrazione dell'oro degli anni '30.

Una volta girata la prima pala di terra, gli equipaggi scaveranno più di 800, 000 tonnellate di roccia, circa il peso di otto portaerei, per creare enormi caverne sotterranee per l'assemblaggio di enormi rivelatori di particelle, tutto per capire meglio il misterioso neutrino. DUNE è stato concepito, progettato e sarà costruito da un team di 1, 000 scienziati e ingegneri provenienti da più di 30 paesi e 160 istituzioni, compreso UW-Madison.

Infatti, quando DUNE sarà operativo tra anni, si baserà su assemblaggi di pannelli anodici (APA) costruiti presso il laboratorio Stoughton UW.

I rivelatori saranno costituiti da grandi pannelli (gli APA) che saranno immersi in argon liquido. Gli APA sono costituiti da fili ultrasottili avvolti attorno al metallo. Ogni assemblaggio creato al PSL dell'UW è costituito da un telaio in acciaio inossidabile lungo 20 piedi, uno strato di rete di rame, e quasi 15 miglia di filo di rame-berillio molto sottile (150 micron di diametro) avvolto attorno ad esso in quattro strati. Il filo viene quindi collegato a un circuito stampato per tracciare i neutrini.

La supervisione del lavoro di PSL su DUNE è il direttore del laboratorio, Bob Paulos. "Gli APA sono davvero il cuore del rilevatore, "dice Paolo.

PSL costruirà tre APA per un esperimento prototipo chiamato ProtoDUNE. UW–Madison sta collaborando con diverse istituzioni nel Regno Unito, che costruirà altri tre APA prototipo utilizzando il design di PSL. Hanno costruito una copia esatta del robot avvolgicavo PSL insieme a tutti gli altri strumenti necessari per costruire i dispositivi.

Garantire una tensione e un passo specifici del filo è fondamentale per il successo degli APA.

"Il piano definitivo è quello di costruire quattro moduli rivelatori sotterranei in South Dakota. Ciascun modulo sarà due terzi delle dimensioni di un campo da calcio e comprenderà 150 APA, " Dice Paulos. La costruzione dei moduli dovrebbe iniziare nel 2020.

PSL si unirà a un paio di altri laboratori per costruire la suite completa di APA necessari per il rilevatore DUNE su larga scala.

"C'è molta cooperazione internazionale su questo progetto, " Dice Paulos. "Ci vorranno contributi mondiali per realizzare DUNE e siamo entusiasti che PSL stia giocando un ruolo importante".

Oltre a creare APA, il laboratorio UW-Madison ha progettato e costruito il supporto della struttura del rivelatore per il progetto. Un ingegnere e un tecnico PSL sono al CERN (l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare) per aiutare a mettere insieme l'hardware per ProtoDUNE.

"Con questa svolta, Il Laboratorio di Scienze Fisiche di UW–Madison raggiunge un altro traguardo nella sua già illustre storia nella ricerca globale sui neutrini, "dice Marsha Mailick, UW-Madison vice cancelliere per la ricerca e l'istruzione universitaria. "Il Laboratorio di Scienze Fisiche ha svolto un ruolo fondamentale nel successo di esperimenti scientifici così sofisticati come l'Osservatorio IceCube Neutrino al Polo Sud e il Large Hadron Collider al CERN in Svizzera".

"Questo è stato un grande sforzo di squadra in PSL con persone che lavorano molte ore per rispettare scadenze molto strette per mantenere il progetto sulla buona strada, " dice Paulos. "Quasi tutti coloro che lavorano in PSL hanno avuto una mano in questo progetto prima o poi, con un nucleo di circa una dozzina di persone che lavorano principalmente al progetto per un anno."

Perché l'UW-Madison Physical Sciences Laboratory?

"PSL ha una lunga storia di lavoro nella fisica delle alte energie, " spiega Paulos. "Questo, insieme al fatto che abbiamo il giusto mix di ingegneria, competenze di progettazione e fabbricazione, così come macchinari all'avanguardia e un negozio di elettronica abbastanza grande da costruire gli APA in un'area di assemblaggio pulita, ci mette in grado di svolgere questo tipo di lavoro."

PSL ha completato fino ad oggi circa $ 10 milioni di lavori sul progetto DUNE.

Il primo APA è stato spedito dal PSL il 7 luglio ed è arrivato al CERN il 12 luglio. Il pannello fa parte del rivelatore ProtoDUNE, un prototipo per l'enorme Far Detector che verrà ospitato sottoterra nel South Dakota. Il rivelatore lontano è una camera di proiezione temporale (TPC), un tipo di rivelatore di particelle che utilizza un forte campo elettronico insieme a un volume sensibile di gas o liquido per eseguire una ricostruzione tridimensionale della traiettoria o dell'interazione di una particella. Nel caso di DUNE, il TPC sarà posizionato all'interno di un criostato riempito di argon.

Infine, DUNE sarà composto da due rivelatori di particelle posti nel fascio di neutrini più intenso del mondo. Un rivelatore registrerà le interazioni delle particelle vicino alla sorgente del raggio, al Fermilab, mentre l'altro, riempito con 70, 000 tonnellate di argon liquido e raffreddato a -300 gradi Fahrenheit, scatterà istantanee delle interazioni nel sottosuolo al Sanford Lab.

Poiché i neutrini interagiscono con il liquido freddo, creano una pioggia di altre particelle e luce. Queste tracce di particelle vengono quindi raccolte dall'elettronica APA e trasmesse come dati alla superficie.

I neutrini sono le particelle di materia più abbondanti nell'universo, eppure si sa molto poco del loro ruolo nel modo in cui l'universo si è evoluto. DUNE consentirà agli scienziati di cercare differenze nel comportamento dei neutrini e delle loro controparti di antimateria, antineutrini, che potrebbe fornire indizi essenziali sul perché viviamo in un universo dominato dalla materia, in altre parole, perché siamo tutti qui, invece che il nostro universo sia stato annientato subito dopo il Big Bang.

DUNE osserverà anche i neutrini prodotti dalle supernovae, che gli scienziati possono utilizzare per cercare la formazione di stelle di neutroni o persino di buchi neri. I grandi rivelatori DUNE consentiranno inoltre agli scienziati di cercare il fenomeno subatomico previsto ma mai osservato del decadimento del protone, un processo strettamente legato allo sviluppo di una teoria unificata di energia e materia.