DUNE

Внутренний вид прототипа DUNE — ProtoDUNE-VD в ЦЕРН, а не детектор в Южной Дакоте.
Внутренний вид прототипа DUNE — ProtoDUNE-VD в ЦЕРН, а не детектор в Южной Дакоте.Фото: Abitowlish, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons

DUNE — Deep Underground Neutrino Experiment — это крупнейший нейтринный проект из тех, что строятся в настоящее время. Пучок из Фермилаба под Чикаго должен быть послан за 1 300 километров в Южную Дакоту и принят там в бывшей золотой шахте.

Установка

В Фермилабе создаётся новый пучковый комплекс LBNF. Он должен работать сначала при мощности 1,2 мегаватта, а позднее быть расширен более чем вдвое — это был бы самый интенсивный нейтринный пучок в мире. Комплекс ближнего детектора измеряет там, что отправляется в путь.

Дальний детектор расположен на глубине 1 480 метров в Sanford Underground Research Facility в Лиде, Южная Дакота, — в тех же штольнях, в которых некогда Рэймонд Дэвис вёл опыт Homestake. Для каверн было вынуто более 800 000 тонн породы; выемка была завершена в 2024 году.

Запланированы четыре модуля примерно по 17 000 тонн жидкого аргона каждый, охлаждённого примерно до минус 186 градусов Цельсия.

Почему жидкий аргон

Прежние детекторы вроде MINOS состояли из стали и сцинтиллятора. Они по существу видят лишь то, куда прошёл мюон, — след, направление, энергию.

Времяпроекционная камера с жидким аргоном умеет больше. Когда заряженная частица проходит сквозь аргон, она оставляет за собой след из свободных электронов. Электрическое поле уводит их на несколько метров к плоскости из проволок. По месту на этой плоскости и времени прихода восстанавливают траекторию в трёх измерениях — с разрешением в миллиметровой области.

Результат подобен фотографии события. Видно не только то, что нечто произошло, но и то, какие частицы в этом участвовали и как они разветвлялись.

Цена за это — чистота: уже следы кислорода захватывают дрейфующие электроны. Аргон должен поддерживаться чистым до нескольких частей на триллион.

Три вопроса

Нарушают ли нейтрино CP-симметрию? Если нейтрино и антинейтрино ведут себя по-разному, это было бы кирпичиком в объяснении того, почему во Вселенной есть материя. T2K дал первые указания; DUNE должен решить этот вопрос.

Длинная база при этом не самоцель. На 1 300 километрах эффект MSW действует так сильно, что его вклад удаётся чисто отделить от искомого нарушения CP; на более коротких расстояниях оба влияния смешиваются.

Какая масса нейтрино наибольшая? Тот же эффект отвечает заодно и на вопрос о порядке масс нейтрино.

Распадается ли протон? Теории великого объединения предсказывают крайне редкий распад протона. Жидкий аргон чувствительнее воды к определённым каналам распада, поэтому DUNE и Hyper-Kamiokande здесь дополняют друг друга.

К этому добавляется готовность, которую нельзя запланировать: если в нашей Галактике взорвётся сверхновая, DUNE уловил бы из неё тысячи нейтрино — причём преимущественно электронные нейтрино, которые водные детекторы видят хуже. Обе конструкции вместе дали бы более полную картину коллапса ядра, чем каждая по отдельности.

Состояние

Каверны выломаны, идёт сборка первых модулей. В ЦЕРН прототип ProtoDUNE опробовал технику в масштабе нескольких сотен тонн — с двумя различными конструкциями дрейфовой камеры, каждая из которых будет применена в одном из первых двух модулей.

По нынешнему плану измерения должны начаться ближе к концу этого десятилетия. При проектах такого размера сроки, как показывает опыт, сдвигаются. В коллаборацию входят более 1 400 учёных из более чем 30 стран.

Связанные понятия

Источники

  • Коллаборация DUNE: Long-baseline neutrino oscillation physics potential of the DUNE experiment, European Physical Journal C 80, 978 (2020).
  • Fermilab: LBNF/DUNE — описание проекта и ход строительства.