Prototype DUNE detector observeert eerste neutrino’s

20 augustus 2024

Een mijlpaal voor het DUNE-experiment: wetenschappers hebben op 10 juli de eerste neutrino’s gemeten met een prototype voor de detector. Dit prototype is gebouwd in een bestaande neutrinobundel bij de versneller van Fermilab in de Verenigde Staten. Dat de neutrino’s gemeten zijn, is een belangrijke stap richting de validatie van het ontwerp. Nikhef-promovenda Marjolein van Nuland-Troost was betrokken bij de installatie, software en analyse.

Het 2×2 prototype bestaat uit vier modules met vloeibare argon. Als neutrino’s deze argon passeren, kunnen ze interacties aangaan met argondeeltjes, en dat is te meten. In het uiteindelijke ontwerp van de DUNE near detector zullen 35 van zulke vloeibare argonmodules zitten, allemaal groter dan het prototype.

Het 2×2 prototype van de DUNE near detector werd in oktober 2023 in de cryostaat geplaatst. Credits: Dan Svoboda, Fermilab

Dat dit 2×2 prototype werkt, is een belangrijke stap voor het experiment. “We willen vooral laten zien met dit prototype, dat het modulaire ontwerp werkt.” legt Van Nuland-Troost uit. “Dat de afzonderlijke onderdelen goed functioneren is al uitgebreid getest. Maar dat geeft geen garanties voor het hele systeem samen. Met dit experiment kunnen we precies zien wat de impact is van het opdelen van de detector in modules.”

In vergelijking met de uiteindelijke near detector is het prototype maar klein. Maar Van Nuland-Troost benadrukt dat het toch indrukwekkend is. “Er is zoveel om rekening mee te houden, enorm veel systemen die allemaal samen moeten werken. En dat op de millimeter en nanoseconde nauwkeurig, in vloeibare argon, bij een temperatuur van -186 graden Celsius, in een sterk elektrisch veld. Heel mooi om te zien dat het dan toch allemaal samenkomt. En dat we daarmee beelden kunnen maken van neutrino-interacties!”

Vervolgstappen

Nu deze stap is gezet en de data zijn verzameld, begint verdere analyse. “Wat hebben we precies gemeten? Wat betekent dat? Zijn er verbeteringen nodig aan de detector?“ vertelt Van Nuland Troost verder. “Daarnaast wordt er al gewerkt aan een prototype van het uiteindelijke formaat. Want ook een kleine schaalverandering kan onverwachte gevolgen hebben en moet van tevoren worden getest.”

Over het DUNE-experiment

Het toekomstige DUNE-experiment moet in 2028 operationeel zijn. Het idee is dat een versneller bij Fermilab neutrinodeeltjes produceert die dwars door de aarde heenvliegen. Vlakbij deze versneller in Illinois staat dan de ondergrondse near detector die de neutrinobundels aan het begin van de reis karakteriseert. 1300 kilometer verderop, bij de Sanford Underground Research Facility in South Dakota, staat de far detector, ook onder de grond. Door de neutrinodeeltjes voor en na de reis te bestuderen, willen wetenschappers meer leren over het veranderen van de deeltjes, mogelijk nieuwe deeltjes en andere subatomaire verschijnselen.

DUNE stuurt neutrino’s zo’n 1300 kilometer door de aarde, van de versneller bij Fermilab en de near detector, naar de far detector bij Sanford Underground Research Facility.

Raadselachtige neutrino’s meten met DUNE

Neutrino’s zijn bijna massaloze elementaire deeltjes die nauwelijks interactie hebben met andere materie. Ze vliegen vrijwel ongehinderd door materie en zijn daarom erg moeilijk te meten. Neutrino’s bestaan in drie varianten en wisselen voortdurend van identiteit: elektron, muon en tau-neutrino’s. Fermilab gaat anti-muonneutrino’s en muonneutrino’s produceren voor het experiment.

Bij het DUNE-experiment botst er af en toe een neutrino met een argondeeltje. Deze interactie produceert andere deeltjes, waarvan een deel geladen is. Als die geladen deeltjes op hun beurt door de argon vliegen, laten ze een spoor van elektronen achter. Díe elektronen zijn te verzamelen met behulp van een elektrisch veld, en daarmee kan een afbeelding gemaakt worden van de (geladen) reactieproducten. Zo kunnen wetenschappers meer leren over de neutrino’s en hun interactie.

De eigenschappen van neutrino’s zijn nog altijd raadselachtig, zo zijn hun massa’s en massaverhoudingen niet goed bekend. Ze vormen wel een essentieel onderdeel van het Standaardmodel van de deeltjesfysica. Meer weten over neutrino’s is dus een belangrijke schakel om de materie en krachten in het universum beter te begrijpen.

De rol van Nikhef

Aan het DUNE-project nemen inmiddels 200 instellingen in 36 landen deel, waaronder ook onderzoekers van Nikhef. Nikhef is al langer nauw betrokken bij ProtoDUNE, een voorbereidend project op CERN in Genève, zegt projectleider Paul de Jong.

Voor DUNE ziet Nikhef vooral kansen bij de bouw van de zogenoemde near detector bij Fermilab. Bij het werk zijn bij Nikhef vooral onderzoekers betrokken van de sectie Neutrino Physics, die bijvoorbeeld ook de KM3NeT-neutrinodetector in de Middellandse Zee bouwt en gebruikt. Daarin worden neutrino’s uit de kosmos bestudeerd.