وبلاگ

نیوزویز – در ماه های اخیر، نوترینو مرکز تحقیقاتی آزمایشگاه سرن اروپا پر از فعالیت است. دانشمندان، مهندسان و تکنسین ها از سراسر جهان در آنجا گرد هم آمده اند تا نمونه بزرگی از یک آشکارساز ذرات جدید را برای مطالعه جمع آوری کنند. نوترینویکی از مرموزترین انواع ذرات در جهان است.

نوترینو در همه جا وجود دارد اما به ندرت با ماده تعامل دارد. در هر ثانیه، تریلیون ها از این ذرات از بدن ما عبور می کنند و بدون هیچ اثری از بدن ما خارج می شوند. با مطالعه این ذرات شبح مانند، فیزیکدانان امیدوارند به سوالاتی مانند: چرا جهان از ماده تشکیل شده است؟ چه رابطه ای بین نیروهای چهارگانه طبیعت وجود دارد؟ سیاهچاله ها پس از انفجار ستاره چگونه تشکیل می شوند؟

پژوهشگرانی که در زمینه بین المللی کار می کنند در اعماق زمین نوترینو آزمایش کنیدکه توسط آزمایشگاه ملی شتاب دهنده فرمی وزارت انرژی ایالات متحده برگزار می شود، امیدوار است که بتواند این معماها را حل کند. کار آنها بر روی نمونه اولیه آشکارساز در CERN آنها را یک قدم به دستیابی به این هدف نزدیکتر می کند.

زیرساخت مورد نیاز برای DUNE گسترده است. این شامل یک شتاب دهنده ذرات جدید در Fermilab است که یک را تولید می کند نوترینو پرتویی که قبل از رسیدن به مرکز تحقیقات زیرزمینی سنفورد در داکوتای جنوبی از 1300 کیلومتری زمین عبور خواهد کرد. در SURF، این ذرات توسط آشکارساز دوردست DUNE، یک آشکارساز غول پیکر زیرزمینی که در 1.5 کیلومتری زیر سطح قرار دارد، ملاقات خواهند کرد. این آشکارساز از ماژول های آشکارساز بزرگ حاوی آرگون تشکیل شده است، عنصری که طبیعت بسیار پایدار آن برای مطالعه نوترینوها ایده آل است. حفاری غارهای زیرزمینی برای آشکارساز دوردست DUNE است حدود 60 درصد تکمیل شده است.

تست تکنولوژی جدید

اعضای همکاری DUNE، که شامل دانشمندان و مهندسان بیش از 35 کشور جهان است، مشغول طراحی، آزمایش و ساخت اجزای دو ماژول آشکارساز DUNE هستند که در SURF نصب می شوند. ماژول یک خواهد بود آشکارساز رانش افقی، که بر اساس یک تکنیک آزمایش شده و آزمایش شده است که برای DUNE افزایش می یابد. تولید انبوه قطعات برای اولین ماژول در حال حاضر آغاز شده است. ماژول دوم که به عنوان آشکارساز رانش عمودی شناخته می شود، دارای فناوری جدیدی خواهد بود. آزمایشات در دو سال گذشته ادامه داشته است.

استیو کتل، هماهنگ کننده فنی آشکارساز انحراف عمودی مستقر در آزمایشگاه ملی بروکهاون DOE، گفت: “من انتظار فیزیک هیجان انگیزی از آشکارسازهای انحراف افقی و عمودی دارم.” اما فناوری رانش عمودی فرصت‌های قابل توجهی را برای ساخت آشکارسازهای اضافی که ارزان‌تر و آسان‌تر نصب می‌شوند باز می‌کند.

افقی در مقابل عمودی

در یک سطح اولیه، آشکارسازهای رانش افقی و عمودی به یک روش کار می کنند. چه زمانی نوترینو با یک اتم آرگون در داخل محفظه پر از آرگون مایع آشکارساز تعامل می کند، ذرات تولید شده در این برهمکنش الکترون آزاد می کنند. یک میدان الکتریکی قوی بین دو طرف محفظه آشکارساز، این الکترون‌های آزاد را به سمت یک آند، ساختاری بزرگ که ورود ذرات باردار را تشخیص می‌دهد، هل می‌دهد. در آشکارساز رانش افقی، میدان الکتریکی بین دو دیوار مخالف وجود دارد و الکترون ها به صورت افقی حرکت می کنند. در آشکارساز رانش عمودی، میدان الکتریکی بین پایین و بالای آشکارساز جریان دارد و الکترون‌ها به‌طور عمودی رانش می‌شوند. آرگون-نوترینو این فعل و انفعال همچنین یک فلاش مختصر ایجاد می کند که هر دو آشکارساز با یک سیستم تشخیص فوتون جداگانه دریافت می کنند.

کتل توضیح داد: اساساً هیچ تفاوتی در رانش عمودی و رانش افقی وجود ندارد. “ما در حال کشف هستیم نوترینو رویدادها به طور قابل ملاحظه ای به همان شیوه.

تفاوت ها در جزئیات است. آند آشکارساز انحراف افقی شامل صفحات بزرگی از سیم های محکم است که به مجموعه های صفحه آند یا APA معروف هستند. ارتفاع آنها 6 متر و عرض آنها 2.3 متر است. از سوی دیگر، آند آشکارساز رانش عمودی از صفحات حسگر بار یا CRP تشکیل شده است. آنها تخته های مدار چاپی بزرگ و سوراخ دار هستند که ابعاد آنها 3 متر در 3.5 متر است و نوارهای مسی روی سطوح آنها چاپ شده است. مانند سیم های موجود در APA، نوارهای مسی در CRP الکترون های متحرک را جمع آوری می کنند.

آشکارساز رانش عمودی DUNE دارای CRP های چند لایه در بالا و پایین است. دومینیک دوشنو، رهبر کنسرسیوم CRP و فیزیکدان مرکز ملی تحقیقات فرانسه، می گوید: CRP ها سوراخ های 2.5 میلی متری دارند تا بار الکتریکی از آنها عبور کرده و به لایه دیگری برود تا جمع شود. او افزود که هر لایه CRP دارای نوارهای مسی با جهت‌گیری متفاوت است که به شما این امکان را می‌دهد که چندین نما از الکترون‌ها داشته باشید.

یکی از مزیت های کلیدی CRP ها این است که از آنجایی که آنها از تخته های مدار ساده با روکش فلزی به جای سیم پیچ محکم ساخته شده اند، تولید و نصب آن ها ارزان تر و راحت تر از APA ها هستند.

کتل گفت: “با آشکارساز رانش عمودی، ما در تلاش هستیم تا نشان دهیم که می‌توانیم آشکارساز ارزان‌تری بسازیم که به همان خوبی کار کند.”

از آنجایی که فناوری آشکارساز رانش عمودی به عناصر کمتری نسبت به رانش افقی نیاز دارد، حجم فعال بیشتری را فراهم می کند. اینس گیل بوتلا، هماهنگ کننده فیزیک DUNE مستقر در مرکز تحقیقات انرژی، زیست محیطی و فناوری در اسپانیا، گفت: حجم فعال بزرگتر به این معنی است که فضای بیشتری برای جمع آوری فعل و انفعالات ذرات وجود خواهد داشت. “شما فرصت دیدن را به حداکثر می رسانید نوترینو فعل و انفعالات در این آرگون مایع.

نوآوری دیگر سیستم تشخیص فوتون است که دانشمندان DUNE قصد دارند برای آشکارساز انحراف عمودی بسازند، ارتقاء به تکنولوژی ARAPUCA برای اولین ماژول آشکارساز از راه دور DUNE توسعه یافته است. این سیستم جدید هر چهار دیواره کرایواستات و همچنین کاتد را با ماژول های تشخیص فوتون پوشش می دهد. (در مقابل، در آشکارساز رانش افقی، فقط آشکارسازهای فوتون در صفحات APA، پشت سیم‌ها تعبیه شده‌اند.) برای روشن کردن و خواندن حسگرهای نوری کاتد ولتاژ بالا که روی 300 کیلو ولت تنظیم شده است، تیم رانش عمودی از لیزر قدرتمندی استفاده می کند که انرژی را از طریق فیبرهای نوری تامین می کند.

علاوه بر این، آرگون موجود در آشکارساز رانش عمودی با زنون دوپ می‌شود تا تعداد فوتون‌هایی که هنگام تعامل ذرات با اتم‌های مایع شناسایی می‌شوند افزایش یابد – و یکنواختی تشخیص نور در سراسر محفظه بهبود یابد. این ویژگی‌ها با هم این سیستم تشخیص فوتون را قادر می‌سازد تا رویدادهای فیزیکی کم‌انرژی، مانند رویدادهای ناشی از ابرنواخترها یا خورشیدی نوترینو گیل بوتلا گفت که رویدادها.

فعالیت پر مشغله

تیمی که روی آشکارساز انحراف عمودی DUNE کار می کند از سراسر جهان آمده است. مشارکت کنندگان اصلی سرن، فرانسه، ایتالیا، اسپانیا و ایالات متحده آمریکا هستند، اما اعضای آن از چندین کشور دیگر در اروپا، آسیا و آمریکای لاتین نیز می آیند. کتل گفت: «پیشرفت های فوق العاده ای در بسیاری از زمینه ها صورت گرفته است.

این گروه مشغول بود. تا به امروز، آنها CRP های کوچک با ابعاد 32 سانتی متر در 32 سانتی متر را در یک محفظه 50 لیتری پر از آرگون مایع، مجهز به سیستم تشخیص کاتد، الکترونیک و فوتون با موفقیت آزمایش کرده اند. کتل گفت، این نمونه اولیه قادر به جمع‌آوری داده‌ها از مسیرهای پرتوهای کیهانی با «نسبت سیگنال به نویز خوب» بود. آنها همچنین CRPهای تمام اندازه با ابعاد 3 متر در 3.5 متر را با سیستم تشخیص کاتد، الکترونیک و فوتون در یک جعبه سرد بزرگ در CERN آزمایش کردند.

این تیم نشان داد که اجزای آشکارساز انحراف عمودی می توانند سیگنال ها را با ولتاژ 300 کیلوولت بخوانند – ولتاژ بالایی که برای ایجاد یک میدان الکتریکی در آشکارساز DUNE در اندازه کامل لازم است. آن‌ها همچنین نشان دادند که الکترون‌ها می‌توانند شش متر حرکت کنند – حداکثر فاصله‌ای که الکترون‌ها در یک مدول با اندازه محدود طی می‌کنند – و از CRP برای به دست آوردن این ردیابی‌ها استفاده می‌کنند. گیل بوتلا گفت: «نقطه عطف بزرگ بعدی که با آن روبرو خواهیم شد، نصب همه سیستم ها با هم در مقیاس بزرگتر است.

این تیم اکنون در حال مونتاژ قطعات در یک نمونه اولیه رانش عمودی بزرگتر به نام “ماژول رانش عمودی-0” در یک کشتی برودتی بزرگ در CERN، به اندازه یک خانه کوچک است. این نمونه اولیه شامل دو CRP با اندازه کامل در بالا و پایین آشکارساز، با کاتد نصب شده در وسط، و همچنین یک سیستم تشخیص فوتون پیشرفته است. الکترون‌هایی که در نیمه بالایی آشکارساز حذف می‌شوند به سمت CRP قرار گرفته در بالا جریان پیدا می‌کنند و الکترون‌های تولید شده در نیمه پایین تا زمانی که به لایه‌های CRP در پایین برسند به سمت پایین جریان می‌یابند. توسعه CRP توسط فرانسه هدایت می شود، با بهترین CRPهای ساخته شده در فرانسه و کمترین CRP در ایالات متحده

هدف محققان DUNE نصب نمونه اولیه آشکارساز رانش عمودی در بهار 2023 است. پس از تکمیل، تیم آشکارساز را با آرگون مایع پر کرده و آن را روشن خواهد کرد تا دانشمندان بتوانند مسیرهای باقی مانده از پرتوهای ذرات و پرتوهای کیهانی را مشاهده کنند. که از آن عبور می کنند.

در نهایت، هدف این است که اجزای آشکارساز انحراف عمودی را برای نصب در یکی از غارهای اصلی داکوتای جنوبی در سال 2027 آماده کنیم.

دوشنو می‌گوید: «آنچه که من واقعاً دوست دارم ببینم نصب اولین CRP در کرایوستات بزرگ در SURF است که چند سال دیگر عرضه خواهد شد. در این میان، من فکر می‌کنم که عملیات Module-0 و گرفتن داده‌ها در پیکربندی دریفت عمودی واقعی یک گام بسیار هیجان‌انگیز است.

آزمایشگاه ملی فرمی توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به Science.energy.gov.