Technik

Fünf (mehr) faszinierende Fakten über DUNE

Das Deep-Underground-Neutrino-Experiment, mit dem Rätsel um winzige Teilchen, sogenannte Neutrinos, gelöst werden sollen, wächst mit jedem Tag. Mehr als 1000 Wissenschaftler aus über 30 Ländern arbeiten jetzt an dem Projekt mit. Der Bau von Prototyp-Detektoren ist in vollem Gange.

Die Ingenieure bereiten sich darauf vor, Platz für den Mammutpartikeldetektor zu schaffen, der eine Meile unter der Erde liegt.

Das internationale Projekt wird vom Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums (Department of Energy) außerhalb von Chicago durchgeführt – und es gibt Menschen, die überall auf der Welt technische Rätsel lösen. Hier sind fünf unglaubliche Engineering- und Designleistungen, die mit dem Bau des größten Flüssig-Argon-Neutrino-Experiments der Welt zusammenhängen.

1. Die DUNE-Detektormodule können um etwa einen halben Fuß (16,5 cm) schrumpfen (und werden), wenn sie mit flüssigem Argon gefüllt sind.

Die DUNE-Detektormodule können (und werden) um etwa einen halben Fuß (16,5 cm) schrumpfen, wenn sie mit flüssigem Argon gefüllt sind.

Artwork von Sandbox Studio, Chicago mit Ana Kova

Jedes der großen DUNE-Detektormodule in South Dakota wird etwa 175 Fuß (58 Meter) lang sein, aber alles muss in der Lage sein, bequem zu schrumpfen, wenn es auf minus 300 Grad Fahrenheit abgekühlt wird (minus 184 Grad Celsius). Die äußere Box, die alle Komponenten aus kaltem Material und Detektor enthält, wird auch als Kryostat bekannt. Es wird aus quadratischen Paneelen mit Falten auf allen Seiten gemacht werden, die erhöhte Erhebungen oder Wellen um jedes Quadrat schaffen. Da DUNE um Hunderte von Grad auf Temperaturen von flüssigem Argon abkühlt, kann das Gefäß aufgrund dieser Falten tatsächlich die gleiche Größe behalten; Die Wellung bietet zusätzliches Material, das sich ausbreiten kann, wenn die flachen Bereiche schrumpfen. Aber im Inneren werden die Komponenten in Bewegung sein. Viele der wichtigsten Detektorkomponenten innerhalb des Kryostats werden mit einem dynamischen Aufhängungssystem an der Decke befestigt, das es ihnen ermöglicht, sich beim Abkühlen um bis zu einen halben Fuß zu bewegen.

2. Forscher müssen eine neue Art von Target konstruieren, um der Flut von Partikeln zu widerstehen, die es braucht, um den intensivsten Hochenergie-Neutrino-Strahl der Welt für DUNE zu erzeugen.

Forscher müssen ein neues Ziel entwickeln, um der Flut von Partikeln zu widerstehen

Artwork von Sandbox Studio, Chicago mit Ana Kova

Ziele sind das Material, mit dem ein Protonenstrahl interagiert, um Neutrinos zu erzeugen. Der Fermilab-Beschleunigerkomplex wird am Anfang der Beschleunigerkette mit einem neuen supraleitenden Linearcollider aufgerüstet, um einen noch stärkeren Protonenstrahl für DUNE zu erzeugen. Ingenieure brauchen daher ein robusteres Target, das dem intensiven Ansturm von Partikeln standhält . Aktuelle Neutrino-Beamlines im Fermilab verwenden unterschiedliche Targets – eines mit meterlangen Reihen wassergekühlter Graphitfliesen, die sogenannten Finnen, ein anderes mit luftgekühltem Beryllium. Aber Ingenieure arbeiten an einem neuen heliumgasgekühlten zylindrischen Stab, um die höhere Intensität zu erreichen. Wie intensiv ist es? Die Strahlkraft der neuen Beschleunigungskette wird in kurzen Impulsen mit einer momentanen Leistung von etwa 150 Gigawatt geliefert, was der Leistung von 15 Milliarden 100-Watt-Glühbirnen gleichzeitig für einen Bruchteil einer Sekunde entspricht.

3. Eine einzelne DUNE-Testdetektorkomponente benötigt fast 15 Meilen an Kabel.

Eine einzelne DUNE-Testdetektorkomponente benötigt fast 15 Meilen an Kabel.

Artwork von Sandbox Studio, Chicago mit Ana Kova

Bevor die Wissenschaftler beginnen, die Flüssig-Argon-Neutrinodetektoren eine Meile unter der Oberfläche in South Dakota zu bauen, wollen sie sicher sein, dass ihre Technologie wie erwartet funktionieren wird. In einem ProtoDUNE-Testdetektor, der am CERN gebaut wird, testen sie Teile, die als “Anodenebenenanordnungen” bezeichnet werden. Jede dieser Platten besteht aus fast 24 Kilometern genau gespanntem Draht, der innerhalb von wenigen Millimetern flach liegen muss. Der Draht ist nur 150 Mikrometer dick – etwa die Breite von zwei Haaren. Diese Drahttafel wird Partikel anziehen und detektieren, die entstehen, wenn Neutrinos mit dem flüssigen Argon im Detektor interagieren – und Hunderte werden für DUNE benötigt.

4. DUNE wird das Experiment mit der höchsten Spannung bei Flüssig-Argon der Welt sein.

DUNE wird das Experiment mit der höchsten Spannung bei Flüssig-Argon der Welt sein.

Artwork von Sandbox Studio, Chicago mit Ana Kova

Die vier DUNE far-Detektormodule, die eine Meile unter Tage in der Sanford Underground Research Facility in South Dakota installiert werden, werden elektrische Komponenten verwenden, die Feldkäfige genannt werden. Diese werden Teilchenspuren erfassen, die durch eine Neutrino-Wechselwirkung in Bewegung versetzt werden. Die verschiedenen Module werden unterschiedliche Feldkäfigdesigns aufweisen, von denen eines eine Zielspannung von ungefähr 180.000 Volt hat – ungefähr 1500 mal so viel Spannung wie in Ihrem Küchentoaster – während das andere Design 600.000 Volt vorsieht. Dies ist viel mehr als bei früheren Flüssig-Argon-Experimenten wie MicroBooNE und ICARUS (jetzt beide Teil des Fermilab-Kurzlinien-Neutrino-Programms), die typischerweise zwischen 70.000 und 80.000 Volt arbeiten. Der Aufbau eines solchen Hochspannungsexperiments erfordert gestalterische Kreativität. Selbst “einfache” Dinge, vom Schutz vor Stromstößen bis hin zur Gestaltung von Durchführungen – die schicken Stecker, die diese hohe Spannung von der Stromversorgung zum Detektor bringen – müssen sorgfältig berücksichtigt und in einigen Fällen von Grund auf neu gebaut werden.

5. Forscher erwarten, dass das DUNE-Datensystem ungefähr 10 Neutrinos pro Tag fangen wird – aber sie müssen in der Lage sein, Tausende in Sekunden zu fangen, wenn ein Stern in der Nähe von Supernova wird.

Die Forscher erwarten, dass das DUNE-Datensystem etwa 10 Neutrinos pro Tag fangen wird - aber sie müssen Tausende in Sekunden erfassen können

Artwork von Sandbox Studio, Chicago mit Ana Kova

Eine Supernova ist eine gigantische Explosion, die auftritt, wenn ein Stern in sich zusammenfällt. Die meisten Menschen stellen sich den dramatischen Ausbruch von Licht und Wärme vor, aber ein Großteil der Energie (etwa 99 Prozent) wird von Neutrinos mitgerissen, die dann hier in Neutrinodetektoren auf der Erde aufgezeichnet werden können. An einem durchschnittlichen Tag wird DUNE typischerweise eine Handvoll Neutrinos sehen, die aus dem intensivsten energiereichen Neutrino-Strahl der Welt kommen – etwa 10 pro Tag zu Beginn des Experiments. Weil Neutrinos sehr selten mit anderer Materie interagieren; Wissenschaftler müssen Billionen zu ihren entfernten Detektoren senden, um auch nur wenige zu erfassen. Aber so viele Neutrinos werden von einer Supernova freigesetzt, dass der Detektor innerhalb von Sekunden mehrere tausend Neutrinos sehen könnte, wenn ein Stern in unserer Milchstraße explodiert. Eine engagierte Gruppe von DUNE arbeitet daran, wie man die enorme Datenmenge einer Supernova, die in zehn Sekunden etwa 50 Terabyte beträgt, am schnellsten erfassen kann.

Falls Sie es verpasst haben, hier sind die ersten ” Fünf faszinierende Fakten über DUNE . ”

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