Deep Underground Neutrino Experiment [подземный нейтринный эксперимент глубокого залегания] продвинет технологии, часто используемые для экспериментов, связанных с тёмной материей, и масштабирует их до рекордных размеров
В физике частиц настали интереснейшие времена. В ней полно загадок. Имеются намёки на вещи, не укладывающиеся в самые лучшие модели Вселенной, какие только есть у учёных – а исследователи вдохновляются друг другом, изучая все эти намёки.
Один из недавних примеров связан с готовящимся экспериментом Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), международным научным проектом мега-масштаба, в котором участвует 1100 учёных из 32 стран. Им руководит Национальная ускорительная лаборатория им. Энрико Ферми (Фермилаб), принадлежащая Министерству энергетики США, и расположенная в г. Батавия, Иллинойс. Фермилаб отправит пучок частиц под названием нейтрино сквозь 1300 км земной породы по направлению к огромному детектору частиц – он будет состоять из четырёх модулей, в сумме содержащих 70 000 тонн жидкого аргона – который приютит Стэнфордская подземная исследовательская лаборатория в Южной Дакоте. Учёные надеются узнать больше о свойствах этих загадочных частиц, возможно, имеющих прямое отношение к существованию самой материи.
Один из прототипов огромных модулей детектора DUNE будет использовать относительно новую для исследований нейтрино концепцию, знакомую, однако, исследователям из других областей физики частиц: двухфазный детектор.
Учимся у поисков тёмной материи
У материи есть разные фазы, или состояния, наиболее известные из которых – твёрдое, жидкое и газообразное. У всех современных двухфазных детекторов частиц есть нечто общее: они используют комбинацию жидкости и газа. Так будет и у DUNE, двухфазный модуль которого, содержащий жидкий и газообразный аргон, сделает его крупнейшим двухфазным детектором из когда-либо созданных – когда он будет запущен в середине 2020-х.
Двухфазные детекторы могут записывать взаимодействие частиц дважды: сначала, когда столкновение происходит в жидкости, и порождает вспышку света, а затем, когда получившиеся брызги из частиц входят в область, наполненную газом, и порождают ещё больше сигналов. Эти два индикатора позволяют особенно точно и ясно восстанавливать первоначальное взаимодействие.
Эксперименты с нейтрино, использующие двухфазную технологию, начали появляться лишь в последние несколько лет, но эта технология служит стандартом индустрии экспериментов тёмной материи уже гораздо дольше.
Нейтрино и тёмная материя – две крупнейшие загадки сегодняшней физики частиц. Нейтрино редко взаимодействуют с материей, и от их теоретического “изобретения” до реального обнаружения в 1956 году прошло 25 лет. Сегодня нейтрино интригуют учёных наличием у них неожиданной крохотной массы и своей способностью менять тип между, как минимум, тремя возможными типами, в процессе своих путешествий по Вселенной. Тёмную материю пока ещё не наблюдали непосредственно, но учёные делают вывод о существовании этих предполагаемых частиц на основе непрямых свидетельств, вроде неподходящей скорости, с которой галактики вращаются, не разлетаясь при этом на куски.
Двухфазная технология для детекторов тёмной материи, изначально предложенная в 1970-х, уже хорошо отработана и помогла получить лучшие результаты по тёмной материи за последние десять лет, говорит Кристиан Галбиати, физик из Принстона и представитель эксперимента с тёмной материей DarkSide-50, в настоящее время собирающего данные в национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии.
Как и DUNE, DarkSide использует в качестве тела детектора аргон. Но у каждого из экспериментов есть свои специфические трудности. В отличие от DUNE, у DarkSide не должно быть никакого фонового шума – сигналов, которые можно ошибочно принять за открытие частиц тёмной материи.
“Как только у нас произойдёт одно фоновое событие, нам конец, – говорит Галбиати. – Двухфазные детекторы гарантировано дают условия, свободные от фонового шума, при условии чистоты аргона”.
Это значит, что в эксперименте приходится использовать аргон очень низкой радиоактивности, добытый и очищенный из подземного источника в Колорадо. То же самое потребуется и для эксперимента следующего поколения, DarkSide-20k, которому понадобится 20 тонн ультрачистого аргона. Исследователи, работающие над множеством небольших детекторов тёмной материи, использующих аргон, включая DEAP 3600, ARDM, MiniCLEAN и DarkSide-50, объединились и сформировали Global Dark Matter Argon Collaboration [всемирную коллаборацию аргона для тёмной материи], с целью работы над этим детектором следующего поколения, который должен вступить в строй в Гран-Сассо в 2022 году. В 2027-м откроется ещё более крупная версия.
Но аргон – не единственный вариант. Другие двухфазные детекторы используют иные благородные газы, например, ксенон в LUX, или эксперименте следующего поколения LUX-ZEPLIN (LZ). LZ будет использовать 10 тонн этого материала и должен увидеть “первую тёмную материю” в 2020.
Как и двухфазный прототип DUNE, детектор LZ – большой, сложный инструмент, со множеством различных систем, которые должны работать совместно, говорит Дэн Маккинзи, представитель LUX и учёный из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Калифорнийского университета в Беркли, работающий над LZ. Он перечисляет несколько технологических прорывов, над которыми работает проект, и которые также относятся к двухфазным детекторам нейтрино типа DUNE: “Высокое напряжение, улавливание света, чистота – эти трудности присутствуют на всех масштабах. Они увеличиваются вместе с увеличением детекторов”.
Продвижение технологий при помощи двухфазного DUNE
DUNE будет использовать однофазный и двухфазный детекторные модули в эксперименте в Южной Дакоте.
Однофазную аргонную технологию, использующую только жидкий аргон, уже продемонстрировали в нейтринном эксперименте на короткой дистанции – например, MicroBooNE в Фермилаб, использующий детектор размером со школьный автобус – и в экспериментах на длинных дистанциях – например, ICARUS, 760-тонный детектор, работавший ранее в Гран-Сассо, и использовавший нейтринный луч, проходивший 725 км к детектору от ЦЕРН, Европейского центра ядерных исследований. Двухфазная нейтринная технология позволила достичь значительного прогресса в детекторе WA105 3X1X1.
Тем не менее, при создании такого крупного устройства, как DUNE, необходимо проводить испытания, чтобы убедиться, что всё работает, как надо. С этой целью совместно работающие учёные строят огромные однофазные и двухфазные испытательные стенды с детекторами ProtoDUNE в ЦЕРН. На новой нейтринной платформе лаборатории, разрабатываемой под руководством Марцио Неси, учёные уже заканчивают создание двух 800-тонных детекторов, чтобы провести финальное испытание технологий DUNE.
“Цель этих устройств – проработать технологию и удостовериться в том, что мы всё делаем правильно”, – говорит Филиппо Резнати, технический координатор нейтринной установки в ЦЕРН. “Но также очень приятно сознавать, что, несмотря на их испытательную природу, это – два крупнейших время-проекционных камеры с жидким аргоном, из всех, что были построены, и построены за рекордные сроки”.
Однофазный прототип должен быть заполнен жидким аргоном и увидеть первые следы частиц этой осенью. Двухфазный прототип недавно закончил первые испытания ключевого компонента, плоскости считывания заряда (charge readout plane, CRP), которая усиливает электроны в газе и собирает их сигналы. CRP и другие компоненты будут установлены этой осенью.
“Нам нужно убедиться в том, что мы работаем совместно, как одна команда, и что все эти технологии способны работать, – говорит Джей Ю, физик из Техасского университета в Арлингтоне, работающий на двухфазном ProtoDUNE. – Всегда хорошо иметь несколько различных технологий, чтобы можно было устраивать им перекрёстную проверку”.
Преимущества использования двухфазной технологии, по сравнению с однофазной – более сильные и чистые сигналы, а также пониженный порог энергии, то есть, способность обнаруживать нейтрино с более низкой энергией. Усиление электронов в газах заставляет сигнал выделяться над фоновым шумом. Однофазные детекторы пытаются засекать сигнал как можно быстрее, поэтому электроника обычно расположена внутри детектора, содержащего жидкий аргон при криогенной температуре. Двухфазные детекторы, наоборот, располагают электронику в особых трубах, с доступом снаружи.
“До электроники можно добраться в любой момент, не загрязняя жидкий аргон”, – говорит Дарио Аутьеро, лидер проекта DUNE во Французском национальном институте ядерной физики и физики частиц (IN2P3). “Эта концепция и дизайн электроники инновационные, и на их разработку потребовалось много времени”.
Ещё один бонус: почти весь жидкий аргон внутри двухфазного детектора представляет собой один крупный регион, выдающий сигналы, что упрощает анализ данных. В однофазных детекторах он разделён на сегменты, и разные секции впоследствии необходимо комбинировать для анализа данных, учитывая разрывы между ними.
Но вместе с преимуществами у двухфазной схемы DUNE есть и свои трудности.
Катод клетки – электрический компонент, притягивающий электроны в направлении записывающих сигнал устройств – должен работать под поражающим воображение напряжением в 600 000 вольт. Кроме того, CRP должны располагаться идеально точно на границе между жидкой и газообразной фазами аргона, и функционировать стабильно, не давая искр.
“Мы, в каком-то смысле, пионеры”, – говорит Инэс Гил Ботелла, лидер испанской группы CIEMAT, работающей над элементами, которые будут улавливать свет внутри двухфазного детектора. “На таких масштабах это большая техническая сложность, поскольку такого раньше ещё не делали. Это очень интересные, но и критически важные времена. Мы продвигаем технологию”.
Взаимное проникновение двухфазных технологий у тёмной материи и нейтринных экспериментов будет продолжаться в обозримом будущем. Global Argon Dark Matter Collaboration уже изучает схему криостата ProtoDUNE как потенциальную ёмкость для своего 20-тонного эксперимента, а участники коллаборации ProtoDUNE размышляют над тем, как двухфазный прототип детектора можно использовать для поисков определённого типа тёмной энергии.
“Чем больше я об этом думаю, тем больше мне нравится эта технология, – говорит Ю. – Она прекрасна. Она завораживает. Это произведение искусства. Она элегантна. И это только начало. Предстоит ещё сделать много работы”.