Głęboko podziemny eksperyment neutrinowy

Głęboko podziemny eksperyment neutrinowy

Przekrój podłużny linii badawczej dla eksperymentu z głównego wtryskiwacza
Alternatywne nazwy	WYDMA
Lokalizacja(e)	CERN , Sanford Underground Research Facility , Winfield Township , Lead , USA
Współrzędne
Styl teleskopowy	Eksperymentalny detektor neutrin
Strona internetowa	http://www.dunescience.org/
Lokalizacja Deep Underground Neutrino Experiment
Powiązane media na Commons

Deep Underground Neutrino Experiment ( DUNE ) to eksperyment neutrin w budowie, z detektorem bliskim w Fermilab i dalekim detektorem w Sanford Underground Research Facility , który będzie obserwował neutrina produkowane w Fermilab . Intensywna wiązka bilionów neutrin z zakładu produkcyjnego w Fermilab (w stanie Illinois ) zostanie wysłana na odległość 1300 kilometrów (810 mil) w celu zrozumienia roli neutrin we wszechświecie. Nad projektem pracuje ponad 1000 współpracowników. Eksperyment zaprojektowano na 20-letni okres zbierania danych.

Głównymi celami naukowymi DUNE są

• Badanie oscylacji neutrin w celu przetestowania łamania CP w sektorze leptonowym , które bada, dlaczego wszechświat jest zbudowany z materii.
• Wyznaczanie uporządkowania mas neutrin.
• Badania supernowych i formowania się gwiazdy neutronowej lub czarnej dziury , mimo że detektor znajduje się na głębokości 1490 metrów (0,93 mil) pod ziemią i nie ma bezpośredniego widoku na niebo.
• Szukaj rozpadu protonu , którego nigdy nie zaobserwowano, ale jest przewidywany przez teorie, które ujednolicają podstawowe siły.

Cele naukowe były na tyle przekonujące w 2014 r., że Panel Priorytetyzacji Projektów Fizyki Cząstek (P5) uznał ten projekt za „projekt o najwyższym priorytecie w swoich ramach czasowych” (zalecenie 13). Znaczenie tych celów doprowadziło do propozycji konkurencyjnych projektów w innych krajach, w szczególności Hyper-Kamiokande w Japonii, którego rozpoczęcie zbierania danych zaplanowano na 2027 r. Projekt DUNE, nadzorowany przez Fermilab , miał opóźnienia w harmonogramie i rozwoju kosztów z mniej niż 2 mld USD do 3 mld USD, co doprowadziło do artykułów w czasopismach Science i Scientific American , które określiły projekt jako „niespokojny”. W 2022 roku eksperyment DUNE miał datę rozpoczęcia wiązki neutrin na początku lat 30. XX wieku, a projekt jest teraz podzielony na etapy.

Projekt LBNF/DUNE

Obiekt Long Baseline Neutrino

Linia badawcza DUNE nosi nazwę „Long Baseline Neutrino Facility” (LBNF). Ostateczny projekt wymaga skierowania wiązki protonów o mocy 2,4 MW z głównego wtryskiwacza na linię świetlną LBNF w celu wytworzenia pionów i kaonów , które są magnetycznie skupione w rurze rozpadu przez róg magnetyczny , gdzie rozpadają się na neutrina . Neutrina będą podróżować w linii prostej przez Ziemię, docierając do około 30 kilometrów (19 mil) pod ziemią w pobliżu punktu środkowego, aby dotrzeć do podziemnego laboratorium w Lead w Południowej Dakocie.

Aby skierować neutrina w stronę podziemnego laboratorium, wiązka musi być skierowana w ziemię pod ostrym kątem. Konstrukcja LBNF obejmie wysokie na 58 stóp wzgórze wykonane z ubitej gleby, łączące się z tunelem o długości 680 stóp, który będzie zawierał rurę rozpadu cząstek o długości 635 stóp. Wzgórze jest integralną częścią „ulepszonego zarządzania trytem [to znaczy] głównym naciskiem na projekt tego nowego obiektu o wyższej mocy wiązki”. Tryt produkowany przez linie badawcze w może przedostawać się do powierzchniowych wód gruntowych, jednak poziomy w Fermilabie są utrzymywane na poziomie znacznie niższym niż dozwolony przez przepisy.

Uzależnienie LBNF od projektu PIP II

Aby dostarczyć 1,2 MW protonów do LBNF, musi zostać zakończona druga faza projektu Proton Improvement Project („PIP II”), który zwiększy dostarczanie protonów z łańcucha akceleratora Fermilab o 60%. Koszt tej aktualizacji Fermilaba od 2022 roku wynosi 1,28 miliarda dolarów. Tym samym łączne koszty fazy I PIP II i DUNE przekraczają 4 miliardy dolarów. Projekt PIP II otrzymał zgodę na rozpoczęcie budowy w kwietniu 2022 roku i ma zostać ukończony do 2028 roku.

Daleki detektor DUNE

Konstrukcja dalekiego detektora DUNE oparta jest na najnowocześniejszej technologii komory projekcji czasu z płynnym argonem (LArTPC) . Daleki detektor będzie składał się z całkowitej objętości 70 kiloton ciekłego argonu , znajdującego się głęboko pod ziemią, 1,5 kilometra (4850 stóp) pod powierzchnią. Obecny projekt dzieli ciekły argon między cztery moduły LArTPC o „objętości odniesienia” (objętość użyteczna do analizy fizycznej, która jest mniejsza niż całkowita objętość, aby uniknąć interakcji w pobliżu krawędzi detektora) wynoszącej 10 kiloton każdy. Około 800 000 ton skał zostanie wykopanych w celu stworzenia jaskiń dla dalekich detektorów.

Ponieważ LArTPC są stosunkowo nową technologią, wymagane były szeroko zakrojone badania i rozwój oraz tworzenie prototypów. Prototypowe detektory są konstruowane i testowane w CERN . Pierwszy z dwóch prototypów, jednofazowy ProtoDUNE (eksperyment CERN NP04), zarejestrował swoje pierwsze ślady cząstek we wrześniu 2018 r. Udział CERN w DUNE wyznaczył nowy kierunek w badaniach CERN nad neutrinami, a eksperymenty są określane jako część projektu Neutrino Platforma w programie badawczym laboratorium.

Eksperyment MicroBooNE i eksperymentalne detektory ICARUS to para 100-tonowych LArTPC w programie Fermilab, które działają również jako platformy badawczo-rozwojowe dla rozwoju detektora DUNE. Eksperymenty te dostarczyły ważnych danych wejściowych, ale są ponad 20 razy mniejsze niż moduły DUNE. MicroBooNE to najdłużej działający nieprzerwanie detektor LArTPC, który zbierał dane od 2015 do 2021 roku — znacznie krócej niż okres 20 lat wymagany dla DUNE.

DUNE w pobliżu detektora

Detektor w pobliżu DUNE będzie zlokalizowany na terenie Fermilab, poniżej LBNF, około 600 metrów od miejsca produkcji neutrin. Detektor bliskości DUNE składa się z kilku poddetektorów, które będą ustawione obok siebie. Jeden z nich (SAND) zostanie zainstalowany wzdłuż osi wiązki neutrin. Pozostałe (NDLAr i NDGar) są ruchome i można je przesuwać w kierunku prostopadłym do wiązki w celu wykrywania neutrin pod różnymi kątami wytwarzania. Głównym celem jest monitorowanie i charakteryzowanie wiązki, gdy neutrina są tworzone w linii LBNF, aby dokonać dokładnych prognoz dotyczących szybkości interakcji w dalekim detektorze DUNE.

Historia prowadząca do współpracy międzynarodowej

Projekt został pierwotnie uruchomiony jako projekt tylko w USA o nazwie Long Baseline Neutrino Experiment ( LBNE ); około 2012–2014 rozważano descope z detektorem przypowierzchniowym w celu obniżenia kosztów. Jednak Panel Priorytetyzacji Projektów Fizyki Cząstek (P5) stwierdził w swoim raporcie z 2014 r., że działalność badawcza prowadzona przez LBNE „powinna zostać przeformułowana pod auspicjami nowej współpracy międzynarodowej, jako program koordynowany na szczeblu międzynarodowym i finansowany ze środków międzynarodowych, z Fermilab jako gospodarzem ". Współpraca LBNE została oficjalnie rozwiązana 30 stycznia 2015 r., Wkrótce po utworzeniu nowej współpracy zalecanej przez P5 22 stycznia 2015 r. Nowa współpraca przyjęła nazwę Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE).

W odpowiedzi na wezwanie P5 do większego zaangażowania międzynarodowego, od 2022 roku naukowcy z ponad 30 krajów byli zaangażowani w budowę LBNF i DUNE. W 2017 roku brytyjska Rada ds. Obiektów Naukowych i Technologicznych (STFC) ogłosiła inwestycję 65 milionów funtów w DUNE i LBNF. Do 2022 roku wśród międzynarodowych partnerów wnoszących wkład rzeczowy znalazły się również CERN , Brazylia, Szwajcaria i Polska, a całkowity wkład zagraniczny w projekt o wartości 3 mld USD wyniósł 570 mln USD, czyli około 20%.

Zmiany zakresu, kosztów i harmonogramu

Pierwotny zakres i koszt projektu LBNE ustalono w kroku 1 procesu „decyzji krytycznej” Departamentu Energii. Zatwierdzenie CD-1 nastąpiło w grudniu 2012 r. Zatwierdzony projekt znacznie ograniczył prośbę fizyka, która kosztowała 1,7 miliarda dolarów. Zatwierdzenie CD-1 dotyczyło budżetu w wysokości 850 mln USD, proponowany detektor bliski nie został uwzględniony, a detektory dalekie zalecono, aby znajdowały się raczej na powierzchni niż pod ziemią.

Zgodnie z rekomendacją P5 dotyczącą szerszego zakresu projektu obejmującego wykrywacze podziemne, projekt otrzymał pierwsze potwierdzenie CD-1 („CD-1R”) pod nazwą LBNF/DUNE w listopadzie 2015 r. Zakres LBNF/DUNE został opublikowany w w raporcie z projektu koncepcyjnego z 2016 r. wezwano do ukończenia pierwszych dwóch modułów dalekiego detektora w 2024 r., uruchomienia wiązki w 2026 r., a czterech modułów w 2027 r. DOE oszacował koszt projektu na od 1,26 miliarda USD do 1,86 USD miliard. W czasie CD-1R DOE wymagało, aby jeśli przewidywany wzrost kosztów bazowych przekroczył 2,79 miliarda dolarów lub 50% powyżej górnej granicy przedziału, CD-1R musiał zostać ponownie przeanalizowany - sytuacja, która była już realizowana przez 2020.

W listopadzie 2021 r. Urzędnicy Biura Naukowego Departamentu Energii (DOE) zgłosili Panelowi Doradczemu ds. Fizyki Wysokich Energii, że chociaż DUNE zabezpieczył 570 mln USD międzynarodowego finansowania, całkowity koszt projektu był na granicy uruchomienia przeglądu CD-1R , zwany CD-1RR. Przeglądy DOE przeprowadzone w styczniu i czerwcu 2021 r. wykazały, że nawet zdezaktywowana wersja projektu składająca się tylko z dwóch dalekich detektorów i bliskiego detektora przekroczyłaby górny dozwolony zakres DOE całkowitego wzrostu kosztów projektu wynoszący 2,75 mld USD. Proces CD-1RR miał na celu ustalenie ulepszonego przedziału kosztów i harmonogramu do połowy 2022 roku. Ze względu na historię niższych niż wnioskowano kongresowych środków na projekt, na tym samym spotkaniu w listopadzie 2021 r. DOE przedstawił „konserwatywny profil [do finansowania], który może wesprzeć Biuro Nauki”.

W marcu 2022 roku DOE ogłosiło, że projekt zostanie zrealizowany w dwóch etapach. Plan stopniowania został ogłoszony podczas Snowmass Process , ćwiczenia okresowo organizowanego przez Wydział Cząstek i Pól (DPF) Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego w celu zaplanowania przyszłości fizyki cząstek elementarnych. Nominalnie faza I składałaby się z dwóch pierwszych modułów detektora dalekiego, podzestawu systemu detektora bliskiego oraz linii badawczej o mocy 1,2 MW, która miałaby zostać ukończona do 2032 r. za szacunkowy koszt 3 mld,1 USD. Harmonogram projektu wskazuje jednak, że po zakończeniu projektu moduł 2 detektora dalekiego będzie wypełniony ciekłym argonem tylko w 40%, a zatem nie będzie od razu nadawał się do wykorzystania w fizyce. Oprócz kosztu 3,1 miliarda dolarów dla USA, który nie obejmuje kosztu aktualizacji PIP II wymaganej dla DUNE, projekt jest obiecany przez międzynarodowych partnerów. Dlatego koszt fazy I LBNF/DUNE, aby osiągnąć swój cel fizyczny, jest bliski 5 miliardów dolarów.

Faza II uzupełniłaby pełny zakres, dodając dodatkowe dwa moduły dalekie, uzupełniając zestaw subdetektorów w pobliżu i zwiększając moc wiązki do 2,4 MW. Faza II stanowi koszt wykraczający poza szacunki 3,1 miliarda dolarów dla fazy I i została oszacowana na co najmniej dodatkowe 900 milionów dolarów.

Projekt LBNF/DUNE był poddawany przeglądowi przez cały 2022 r. Jednak pod koniec 2022 r. ogłoszono, że niezbędne zatwierdzenie przez DOE Energy Science Aquisition Advisory Board nastąpi w 2023 r. Opóźnienie w zatwierdzeniu częściowo odzwierciedla fakt, że koszt 3,1 mld USD oszacowania dokonano w 2021 r., przed gwałtownym wzrostem inflacji w 2022 r. i zanim można było w pełni ocenić opóźnienia spowodowane pandemią Covid-19.

Fizycy wyrazili zaniepokojenie, że dwufazowy plan może doprowadzić do tego, że DUNE pozostanie daleko w tyle za swoją główną konkurencją, eksperymentem Hyper-Kamiokande , i że Faza II może nigdy nie zostać zbudowana.

Co doprowadziło do wzrostu kosztów?

Trzy wkłady w rosnące koszty to:

• Odmowa społeczności neutrin zaakceptowania projektu zatwierdzonego przez CD1, który został usunięty z zakresu, aby utrzymać koszt <1 miliarda dolarów. Zamiast tego społeczność naciskała na poprawiony, międzynarodowy projekt LBNF/DUNE rekomendowany przez P5. Zalecenie P5 milczało na temat limitów kosztów lub priorytetów etapów, wymieniając tylko wskaźniki wydajności, tracąc w ten sposób okazję do zapobieżenia eskalacji budżetu.

• Gotowość Biura Naukowego Departamentu Energii do korekty kosztów w górę poprzez procesy „odświeżania” płyt CD (CD-1R i CD-1RR). Tę pobłażliwość w zakresie wymagań dotyczących utrzymania limitów kosztów można porównać z kontrolą kosztów japońskiego rządu w konkurencyjnym eksperymencie Hyper-K.

• Słabe zarządzanie projektem przez Fermi National Accelerator Laboratory, odzwierciedlone w ocenie C z Departamentu Energii w 2021 r.

Konkurencja ze strony Hyper-K i innych eksperymentów

Główną konkurencją dla DUNE jest eksperyment Hyper-Kamiokande (Hyper-K). Hyper-K to detektor o całkowitej objętości 260 kt, będący w trakcie budowy, 295 km od źródła neutrin Japan Proton Accelerator Research Complex ( J-PARC ). Szacuje się, że budowa zostanie zakończona do 2028 r. Rząd Japonii ściśle kontroluje koszty i nie pozwolił, aby koszty ponoszone przez Japonię przekroczyły pierwotne szacunki z 2016 r., wynoszące około 600 mln USD. Projekt otrzymał około 150 milionów dolarów międzynarodowych wkładów. Tak więc koszt Hyper-K jest w przybliżeniu równy zatwierdzonemu przez CD-1 kosztowi LBNE (poprzednika DUNE) na początku 2010 roku.

Dla porównania detektor fazy I DUNE jest znacznie mniejszy --- tylko 17 kt --- a odległość od źródła neutrin Fermilab do detektora jest większa --- 1300 km. Prowadzi to do znacznie niższego oczekiwanego wskaźnika interakcji w DUNE niż w Hyper-K. Również skala czasowa Hyper-K pozostaje na właściwym torze, więc można oczekiwać, że detektor zacznie zbierać dane 4 do 5 lat wcześniej niż obecne prognozy dla DUNE.

Przewiduje się, że premierowy wynik z DUNE dotyczący naruszenia CP będzie opóźniony w stosunku do wyniku z Hyper-K o 5 lat. W raporcie końcowym Snowmass 2021 Topical Group Report on Three-Flavour Neutrino Oscillations, opublikowanym 15 czerwca 2022 r., oszacowano, że wynik 5σ (stąd poziom odkrycia) dotyczący naruszenia CP zostanie uwolniony z Hyper-K w 2034 r. i z DUNE w 2039 r. Szacunki dotyczące osiągnięcia 5σ zrozumienia masowego zamawiania były bardziej optymistyczne w bezpośredniej rywalizacji z Hyper-K, gdzie DUNE pokonała Hyper-K o dwa lata, jeśli harmonogram na 2022 rok się nie poślizgnie. Dzieje się tak dlatego, że Hyper-K ma krótszą linię bazową niż DUNE, a możliwość określenia uporządkowania masy zależy od odległości, jaką pokonują neutrina. Jednak przewiduje się, że zarówno DUNE, jak i Hyper-K zostaną zgarnięte w ramach masowego zamawiania poprzez połączenie eksperymentu JUNO w Chinach i jako zestaw eksperymentów z neutrinami atmosferycznymi, które istnieją lub są obecnie w budowie.

Dyrektor Fermilab, Merminga, został skonfrontowany z możliwością wykorzystania DUNE przez konkurencję w prezentacji przed House Science Committee w czerwcu 2022 r. W odpowiedzi Merminga stwierdził, że projekty są komplementarne, a DUNE zapewnia dokładniejsze rekonstrukcje interakcji neutrin dzięki technologii ciekłego argonu, niż jest to możliwe w wodnym detektorze wody Hyper-K. Jednak Merminga nie wyjaśnił, dlaczego wymagana jest dokładniejsza rekonstrukcja, biorąc pod uwagę, że detektory wody mogą osiągnąć te same cele fizyczne.

Budowa w Sanford Underground Research Facility

Ekipy pracują nad Deep Underground Neutrino Experiment.

Sanford Underground Research Facility wykorzystuje i rozbudowuje obiekty kopalni Homestake Mine (South Dakota) , która zakończyła działalność pod koniec 2001 roku, aby pomieścić moduły detektorów dalekich. Wykopaliska wnęk detektora dalekiego zasięgu DUNE rozpoczęły się 21 lipca 2017 r. Skała usunięta z podziemia osadza się w otwartym wykopie w centrum miasta Lead w Dakocie Południowej . Zarządzanie projektem na budowie jest nadzorowane przez Fermilab.

W czerwcu 2021 r. Pióropusze pyłu unoszące się z Open Cut w wyniku budowy DUNE doprowadziły do ​​​​skarg ze strony firm, właścicieli domów i użytkowników pobliskiego parku. Skargi trwały do ​​​​wiosny 2022 r. Bez odpowiedniej odpowiedzi ze strony kierownictwa Fermilab, w wyniku czego Urząd ds. Nauki i Technologii Południowej Dakoty zamknął wykopaliska 31 marca 2022 r. Rozpoczęło się dochodzenie, w którym zespół zarządzający Fermilab przyznał się do błędów w protokołach i podjął nowe środki w celu zapobiega wydostawaniu się czarnego pyłu z otwartego cięcia. Dzięki tym zapewnieniom Fermilab mógł wznowić zatapianie skał 8 kwietnia 2022 r.

Linki zewnętrzne

• Lewton, Thomas (13 kwietnia 2022). „Troubled US Neutrino Project stoi w obliczu niepewnej przyszłości - i nowych możliwości” . Naukowy Amerykanin .