Neutrino-experiment ProtoDUNE ziet eerste deeltjessporen

18 september 2018

PERSBERICHT NIKHEF

Amsterdam, 18 september 2018

ProtoDUNE, een kubus gevuld met 565 kubieke meter vloeibaar argon die het prototype vormt voor een toekomstige reuzendetector voor neutrino’s in de VS, heeft zojuist op CERN in Genève zijn eerste deeltjessporen vastgelegd. Aan het proefproject is twee jaar in hoog tempo gebouwd, deels door het Nationaal instituut voor subatomaire fysica (Nikhef) in Nederland. Het vullen van het experiment met argon nam deze zomer acht weken in beslag.

Nikhef maakt deel uit van de internationale ProtoDUNE- en DUNE-projecten. De Nederlandse inbreng ligt onder meer op het gebied van de snelle uitlezing van signalen uit de detector. Het FELIX-systeem is ontwikkeld voor de grote ATLAS-deeltjesdetector bij de Large Hadron Collider (LHC) op CERN en maakt het ook voor ProtoDUNE mogelijk om grote hoeveelheden gegevens snel aan commercieel verkrijgbare computers aan te bieden.

In de ProtoDUNE-detector worden op ware grootte technieken getest waarmee de raadsels van neutrino’s kunnen worden bestudeerd. Vanaf 2026 moeten deze technieken worden toegepast in het Deep Underground Neutrino Experiment-project (DUNE), anderhalve kilometer ondergronds in South Dakota. Het is de bedoeling dat DUNE uiteindelijk 90 keer groter zal zijn dan ProtoDUNE. De neutrino’s voor het experiment zullen afkomstig zijn van de versneller van Fermilab bij Chicago; de deeltjes bewegen van daar 1300 kilometer dwars door de aarde naar de detector in South Dakota.

Neutrino’s ontstaan bij kernprocessen en hebben nauwelijks interactie met andere materie. In het vloeibaar argon, dat tot 184 graden onder nul is gekoeld, raken ze heel af en toe een kern, waarbij geladen deeltjes ontstaan die lichtsporen in de vloeistof geven.

In het toekomstige DUNE-experiment zal onder meer gekeken worden naar subtiele verschillen tussen neutrino’s en hun antideeltjes, antineutrino’s. Mogelijk werpt dat meer licht op de vraag waarom in het universum materie bestaat, en materie en anti-materie elkaar niet volledig hebben weggevaagd.

De eerste waarnemingen met ProtoDUNE betekenen ook succes voor de Nederlandse inbreng, zegt onderzoeker Frank Filthaut van Nikhef en verbonden aan de Radboud Universiteit Nijmegen: “Fantastisch dat wij met collega’s van CERN en het ATLAS-team dat de uitleestechnieken ontwikkelt ons deel hebben kunnen leveren. We gaan nu zien hoe we het gebruik van de technologie nog efficiënter kunnen maken zodat het ook in het DUNE-experiment zelf gebruikt kan worden.”

De bouw van ProtoDUNE in Genève heeft ruim twee jaar geduurd en was een race tegen de klok. De komende maanden vindt met de testdetector een intensief meetprogramma plaats met deeltjesbundels gemaakt in het versnellercomplex van CERN die moeten gaan helpen om de respons van de detector voor verschillende deeltjes (en over een breed bereik van energieën) te bepalen. Medio november legt CERN het complex voor enkele jaren stil in verband met verbeteringen aan de LHC-versneller.

Contactpersonen:

Hoofd wetenschapscommunicatie Nikhef – Martijn van Calmthout
Nikhef-onderzoeker (verbonden aan de Radboud Universiteit) Frank Filthaut


Bijschrift beeld hieronder

NL: Dit beeld toont een van de eerste kosmische muon deeltjessporen die vastgelegd is door de ProtoDUNE-detector op CERN. Drie dradenkamers, die elk opgemaakt zijn uit duizenden individuele draden, registreerden het signaal van het muon terwijl het ongeveer 3,8 meter aflegde in het vloeibare argon. De beelden tezamen geven de onderzoekers een driedimensionaal beeld van het pad van het deeltje. Beeld: DUNE collaboratie.
EN: This image shows one of the first cosmic muon particle tracks recorded by the ProtoDUNE detector at CERN. Three wire planes, each of which is made up of thousands of individual wires, recorded the signal of the muon as it traveled approximately 3.8 meters through liquid argon in the detector, and the images together give scientists a three-dimensional picture of the particle’s path. Image: DUNE collaboration.

 

De stalen kooi voor een van de twee ProtoDUNE-detectoren is uitgerust met een stalen bovenkant, die door een hijskraan in positie wordt gehesen.
Onderzoekers testen hoe de ‘field cages’ presteren onder de hoge voltages die nodig zijn voor DUNE. De ‘field cage’ voor de definitieve dual-phase DUNE-detector module zal werken onder ongeveer 600.000 volt, terwijl de single-phase DUNE module ongeveer 180.000 volt zal halen. Deze foto toont de ‘field cage’ in de dual-phase ProtoDUNE-detector.
Zicht op de detectoren van bovenaf. De twee ProtoDUNE-proefopstellingen op CERN zijn echte deeltjesdetectoren. Ze kunnen deeltjessporen afkomstig van kosmische straling en van een protonversnellerbundel registreren.

Foto’s afkomstig van het Symmetry Magazine artikel ProtoDUNE in pictures

CERN press release:

First particle tracks seen in prototype for international neutrino experiment

Geneva, 18 September 2018. The largest liquid-argon neutrino detector in the world has just recorded its first particle tracks, signaling the start of a new chapter in the story of the international Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE).

DUNE’s scientific mission is dedicated to unlocking the mysteries of neutrinos, the most abundant (and most mysterious) matter particles in the universe. Neutrinos are all around us, but we know very little about them. Scientists on the DUNE collaboration think that neutrinos may help answer one of the most pressing questions in physics: why we live in a universe dominated by matter. In other words, why we are here at all.

The enormous ProtoDUNE detector – the size of a three-story house and the shape of a gigantic cube – was built at CERN1, the European Laboratory for Particle Physics, as the first of two prototypes for what will be a much, much larger detector for the DUNE project, hosted by the U.S. Department of Energy’s Fermi National Accelerator Laboratory in the United States. When the first DUNE detector modules record data in 2026, they will each be 20 times larger than these prototypes.

It is the first time CERN is investing in infrastructure and detector development for a particle physics project in the United States.

The first ProtoDUNE detector took two years to build and eight weeks to fill with 800 tons of liquid argon, which needs to be kept at temperatures below -184 degrees Celsius (-300 degrees Fahrenheit). The detector records traces of particles in that argon, from both cosmic rays and a beam created at CERN’s accelerator complex. Now that the first tracks have been seen, scientists will operate the detector over the next several months to test the technology in depth.

“Only two years ago we completed the new building at CERN to house two large-scale prototype detectors that form the building blocks for DUNE,” said Marzio Nessi, head of the Neutrino Platform at CERN. “Now we have the first detector taking beautiful data, and the second detector, which uses a different approach to liquid-argon technology, will be online in a few months.”

The technology of the first ProtoDUNE detector will be the same to be used for the first of the DUNE detector modules in the United States, which will be built a mile underground at the Sanford Underground Research Facility in South Dakota. More than 1,000 scientists and engineers from 32 countries spanning five continents – Africa, Asia, Europe, North America and South America – are working on the development, design and construction of the DUNE detectors. The groundbreaking ceremony for the caverns that will house the experiment was held in July of 2017.

“Seeing the first particle tracks is a major success for the entire DUNE collaboration,” said DUNE co-spokesperson Stefan Soldner-Rembold of the University of Manchester, UK. “DUNE is the largest collaboration of scientists working on neutrino research in the world, with the intention of creating a cutting-edge experiment that could change the way we see the universe.”

When neutrinos enter the detectors and smash into the argon nuclei, they produce charged particles. Those particles leave ionization traces in the liquid, which can be seen by sophisticated tracking systems able to create three-dimensional pictures of otherwise invisible subatomic processes. (An animation of how the DUNE and ProtoDUNE detectors work, along with other videos about DUNE, is available here: https://www.fnal.gov/pub/science/lbnf-dune/photos-videos.html.)

“CERN is proud of the success of the Neutrino Platform and enthusiastic about being a partner in DUNE, together with Institutions and Universities from its Member States and beyond” said Fabiola Gianotti, Director-General of CERN. “These first results from ProtoDUNE are a nice example of what can be achieved when laboratories across the world collaborate. Research with DUNE is complementary to research carried out by the LHC and other experiments at CERN; together they hold great potential to answer some of the outstanding questions in particle physics today.”

DUNE will not only study neutrinos, but their antimatter counterparts as well. Scientists will look for differences in behavior between neutrinos and antineutrinos, which could give us clues as to why the visible universe is dominated by matter. DUNE will also watch for neutrinos produced when a star explodes, which could reveal the formation of neutron stars and black holes, and will investigate whether protons live forever or eventually decay. Observing proton decay would bring us closer to fulfilling Einstein’s dream of a grand unified theory.

“DUNE is the future of neutrino research,” said Fermilab Director Nigel Lockyer. “Fermilab is excited to host an international experiment with such vast potential for new discoveries, and to continue our long partnership with CERN, both on the DUNE project and on the Large Hadron Collider.”

To learn more about the Deep Underground Neutrino Experiment, the Long-Baseline Neutrino Facility that will house the experiment, and the PIP-II particle accelerator project at Fermilab that will power the neutrino beam for the experiment, visit www.fnal.gov/dune.