DUNE - эксперимент по изучению нейтрино

Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE).

Как вы обнаружите частицу, которая почти не имеет массы, чувствует только две из четырех фундаментальных сил и может беспрепятственно путешествовать через твердый свинец в течение всего светового года, даже не взаимодействуя с материей? Это проблема, создаваемая нейтрино, призрачными частицами, которые генерируются в триллионах ядерных реакций в звездах, включая наше Солнце, и на Земле.
Ученые также могут производить нейтрино для изучения в контролируемых экспериментах с использованием ускорителей частиц. Одним из способов обнаружения нейтрино являются большие баки, заполненные жидким аргоном и обернутые сложной сетью интегральных схем, которые могут работать при температурах, более низких, чем в обычный день на Нептуне.

Промышленность обычно не использует электронику, которая работает при криогенных температурах, поэтому физики вынуждены были создавать свою собственную.
Сотрудничество нескольких лабораторий, в том числе Fermilab, занималось разработкой прототипов электроники, которая в конечном итоге будет использоваться в международном эксперименте под названием DUNE.
DUNE будет генерировать интенсивный пучок нейтрино в Fermilab в Иллинойсе и отправит его через 800 миль через земную кору на детекторы Sanford Lab в Южной Дакоте.
Результаты эксперимента могут помочь ученым понять, почему существует больше материи, чем антиматерии, дисбаланс, который привел к формированию нашей вселенной.

Детекторы нейтрино DUNE будут массивными: четыре резервуара, они будут содержать в общей сложности 70,000 тонн жидкого аргона и будут расположены в полости, в миле от поверхности Земли.
(*Материал с сайта Fermilab).
Аргон естественным образом встречается в нашей атмосфере в виде газа, и превращение его в жидкость влечет за собой его охлаждение до чрезвычайно низких температур.
Атомные ядра жидкого аргона настолько плотно упакованы вместе, что некоторые из неуловимых нейтрино, путешествующих из Fermilab, будут взаимодействовать с ними, оставляя после себя контрольные признаки их прохождения. В результате столкновения образуются разные частицы, которые рассеиваются во всех направлениях, включая электроны, которые физики используют для восстановления пути невидимого в противном случае нейтрино.
Сильное электрическое поле, поддерживаемое в детекторе, заставляет свободные электроны дрейфовать к проводам, прикрепленным к чувствительной электронике.
Когда электроны проходят через провода, они генерируют небольшие импульсы напряжения, которые регистрируются электроникой в камере жидкого аргона. Усилители в камере затем усиливают сигнал, увеличивая напряжение, после чего они преобразуются в цифровые данные. Наконец, сигналы, собранные и оцифрованные по всей камере, объединяются и отправляются на компьютеры вне детектора для хранения и анализа.

Электроника в детекторах нейтрино работает так же, как и технологии, которые мы используем в повседневной жизни, за одним важным исключением. Интегральная схема в наших телефонах, компьютерах, камерах, автомобилях, микроволновых печах и других устройствах была разработана для работы при комнатной температуре или около нее, примерно до минус 40 градусов по Цельсию.
Жидкий аргон в детекторах нейтрино, охлаждается примерно до минус 200 градусов.
В прошлом эта проблема была полностью обойдена путем размещения электронных схем вне аргоновых резервуаров. Но когда вы измеряете ограниченное количество электронов, даже малейшее количество электронного шума может замаскировать сигнал, который вы ищете.
Если вся электроника погружена в жидкий аргон, получаем меньше тепловых колебаний от атомов и большее соотношение сигнал/шум.
Размещение электроники в баке с жидким аргоном имеет дополнительное преимущество, заключающееся в уменьшении количества проводов, которые вы должны использовать для подачи сигналов на усилители. Если, например, усилители и аналого-цифровые преобразователи находятся вне камеры (как например в некоторых детекторах нейтрино), длинные провода должны соединять их с детекторами внутри.
«Если вы поместите электронику в холодную камеру, у вас будут намного более короткие провода и, следовательно, более низкий уровень шума».
«Вы усиливаете сигнал и оцифровываете его в аргоновой камере. Тогда у вас будет цифровой интерфейс с внешним миром, в котором шум больше не является проблемой». - сказал Carl Grace, инженер Lawrence Berkeley National Laboratory.
Есть несколько проектных проблем, которые команды учёных должны были преодолеть во время разработки, и немаловажными из них было определение того, как проверить долговечность устройств.
Эти чипы должны будут работать не менее 20 лет, возможно, дольше.
Поскольку у учёных нет 20 лет, чтобы протестировать свои прототипы, они приблизили эффект старения путем увеличения напряжения, подаваемого на микросхемы, чтобы имитировать износ при регулярной и длительной эксплуатации.

Электронная схема имеет определенное сопротивление электрическому току, протекающему через нее. Когда электроны проходят через цепь, они взаимодействуют с вибрирующими атомами в проводящем материале, что замедляет их.
Но эти взаимодействия уменьшаются, когда электроника охлаждается до криогенных температур, и электроны, составляющие сигнал, движутся в среднем быстрее.
Это хорошо с точки зрения производительности; Интегральные схемы, создаваемые для DUNE, будут работать более эффективно, если поместить их в жидкий аргон. Но, поскольку электроны движутся быстрее по цепям, они могут начать наносить ущерб самой схеме.
«Если электроны обладают достаточно высокой кинетической энергией, они могут начать разрывать атомы из кристаллической структуры проводящего материала» - Fermilab.
Чипы DUNE спроектированы для смягчения этого эффекта. Чипы изготавливаются с использованием крупных составляющих устройств, чтобы минимизировать количество нанесенного ущерба, и они используются на более низких напряжениях, чем обычно используются при комнатной температуре. Ученые также могут корректировать рабочие параметры с течением времени, чтобы компенсировать любое повреждение, которое происходит в течение их многолетнего использования.

В настоящее время ведется подготовка DUNE, а к 2027 году планируется начать эксперимент по сбору данных. Ученые многих учреждений усердно работают над созданием электронных прототипов.
Ученые из Brookhaven National Laboratory работают над усовершенствованием усилителя, в то время как команды из лабораторий Fermilab и Berkeley, и также Brookhaven, работают над разработкой аналого-цифрового преобразователя.
Fermilab также объединились с Southern Methodist University для разработки электронного компонента, который объединяет все данные в баке с аргоном, прежде чем они передаются в электронику, расположенную вне датчика холода. Наконец, исследователи, работающие над конкурирующим проектом в SLAC National Accelerator Laboratory, пытаются найти способ эффективно объединить все компоненты в одну интегральную схему.