L'esperimento internazionale del neutrino sotterraneo profondo, o DUNE, affittato da Fermilab, sarà enorme. Infatti, con più di 1, 000 collaboratori da oltre 30 paesi e cinque continenti, è il più grande progetto scientifico internazionale mai ospitato negli Stati Uniti.

Per prepararsi a questo enorme sforzo, la comunità della fisica delle particelle ha utilizzato le tecnologie DUNE per test drive approfonditi. Nell'ultima decade, i rilevatori di particelle ICARUS, MicroBooNE e LArIAT al Fermilab e i rivelatori ProtoDUNE al CERN hanno tutti contribuito in un modo o nell'altro a raccogliere le profonde conoscenze di base necessarie per costruire e far funzionare DUNE, un rivelatore di neutrini che utilizzerà argon liquido ed elettronica avanzata per catturare il passaggio delle famose particelle sfuggenti.

Nel 2019, I preparativi DUNE sono entrati in una nuova fase quando il Fermilab ha istituito una nuova struttura di test per i rilevatori DUNE:il criostato integrato e l'elettronica costruiti per gli obiettivi di ricerca sperimentale, o ICEBERG.

"L'obiettivo principale di DUNE è misurare e comprendere proprietà molto particolari del neutrino, e ICEBERG è una struttura in cui possiamo confermare che i componenti del rilevatore che stiamo progettando raggiungono le specifiche necessarie affinché DUNE abbia successo, "ha detto Rory Fitzpatrick, uno studente laureato presso l'Università del Michigan che lavora sui rivelatori di fotoni di ICEBERG.

Le particelle di materia più abbondanti nell'universo, i neutrini forniscono un prezioso banco di prova per le teorie della fisica delle particelle. Non interagiscono quasi con nulla, e oscillano tra tre diversi stati mentre viaggiano.

Esperimenti di fisica come DUNE utilizzano le proprietà dei neutrini per illuminare le differenze tra materia e antimateria, forse spiegando perché l'universo sembra essere dominato dalla materia. I neutrini possono anche insegnarci la vita del protone e le formazioni di buchi neri lungo la strada.

Gli acceleratori del Fermilab lanceranno un raggio sotterraneo di particelle di neutrini a 800 miglia attraverso la crosta terrestre, dal Fermilab nell'Illinois al Sanford Underground Research Facility nel South Dakota. In ogni sito, un rivelatore misurerà la composizione del raggio e analizzerà come le particelle hanno cambiato forma durante il loro volo. Poiché i neutrini interagiscono così debolmente, i rivelatori devono essere massicci e ultrasensibili. Sono essenzialmente vasche giganti di argon liquido che vengono bombardate con le minuscole particelle. Occasionalmente, uno dei neutrini interagirà con l'argon e produrrà particelle cariche e fotoni, entrambi i quali vengono rilevati da vari sensori in DUNE. Il rivelatore in ICEBERG è in effetti una versione in miniatura del componente DUNE che traccia queste particelle.

Non è necessario inviare neutrini altamente elusivi ai rilevatori di particelle mentre si testa semplicemente la funzionalità del sistema. Quando stazionamento fuori terra, i rivelatori possono anche raccogliere tracce dai raggi cosmici, creati quando particelle ad alta energia provenienti dallo spazio colpiscono l'atmosfera, in modo molto più coerente.

Le firme dei raggi cosmici consentono ai fisici di testare l'elettronica DUNE in superficie con sistemi di tracciamento della carica e rilevamento di fotoni. Più, perché i raggi cosmici sono abbondanti sulla superficie terrestre e più facili da rilevare rispetto ai neutrini, i prototipi possono essere più piccoli e richiedere argon molto meno prezioso.

L'argon liquido utilizzato per ICEBERG riempirebbe il pianale di un camioncino. DUNA, a confronto, richiede abbastanza argon per riempire 12 piscine olimpioniche. I ricercatori DUNE stanno attualmente testando la seconda di diverse combinazioni di elettronica nuova e collaudata con ICEBERG.

"Gli scienziati, ingegneri e personale tecnico lavorano insieme per trovare modi per migliorare continuamente ICEBERG e mantenere in funzione tutta la sua infrastruttura di supporto, " ha detto Kelly Hardin, un tecnico del Fermilab che lavora su tutti i rilevatori di argon liquido al Fermilab.

Una volta terminata questa serie di test, l'elettronica e i sensori di fotoni scelti dovrebbero essere testati in uno dei rivelatori ProtoDUNE prima di essere prodotti in serie per l'uso in DUNE.

"Finora, l'intero rilevatore ICEBERG e l'infrastruttura associata funzionino correttamente, " disse Shekhar Mishra, Scienziato del Fermilab e capo progetto ICEBERG. "Le misurazioni stanno venendo molto bene. Abbiamo visto bellissime tracce e rilevato fotoni".

Il processo di funzionamento e manutenzione di questo e altri rivelatori prototipo prepara gli scienziati per il grande campionato:DUNE. Un progetto internazionale di tale portata richiede rigorosi controlli di garanzia e un'accurata preparazione.

"ICEBERG mi ha dato la possibilità di sporcarmi le mani e girare qualche vite, " disse Ivan Caro Terrazas, uno studente laureato presso la Colorado State University che lavora sui sistemi di tracciamento delle particelle di ICEBERG. "Mi stupisce quanta coordinazione sia necessaria per un rivelatore piccolo come ICEBERG, figuriamoci DUNE stesso."

In molti modi, ICEBERG è una sfera di cristallo per DUNE, che fornisce informazioni sui suoi ostacoli e requisiti futuri.

"Anche gestendo ICEBERG, una micro-DUNE, stiamo imparando molto su cosa avremo bisogno di costruire, operare e gestire questo enorme rivelatore, " Ha detto Mishra. "ICEBERG è uno sforzo collaborativo di laboratori e istituzioni in tutto il mondo. Contiamo sul nostro team diversificato per superare le sfide e raggiungere i nostri obiettivi".