La práctica hace la perfección (detectores de partículas)

Cuando esté completo, el Experimento de Neutrinos Subterráneo Profundo, o DUNE, será el experimento de neutrinos más completo del mundo, e instalar el detector lejano gigante para DUNE en una caverna a una milla bajo tierra será como el juego de Operación más grande del mundo.

DUNE constará de dos detectores: un detector cercano más pequeño, que se ubicará en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía de EE. UU. en Illinois; y un detector lejano más grande, que se ubicará en el Centro de Investigación Subterránea de Sanford, o SURF, en Dakota del Sur.

El detector lejano está diseñado para estar formado por cuatro módulos (dos de los cuales están en construcción y dos aún en planificación), cada uno de los cuales tiene las dimensiones de un edificio de casi seis pisos y la longitud de un campo de fútbol. Un módulo estará formado por 25 filas de detectores de neutrinos más pequeños llamados conjuntos de plano anódico (APA), algunos de los componentes más frágiles del experimento.

Dado que el detector lejano DUNE en SURF está ensamblado en una caverna subterránea, no hay mucho margen de maniobra para trabajar. Los técnicos que instalen la última fila de APA estarán contra una pared y tendrán sólo un par de metros para operar con seguridad; Una vez que traigan el elevador de tijera, habrá suficiente espacio para que un humano camine entre él y los APA. Una vez que hayan terminado, tendrán que regresar, trayendo consigo todas las herramientas e instrumentos que trajeron.

Para terminar el detector, “estamos trabajando con pulgadas de sobra”, dice Tom Wieber, gerente de otro laboratorio subterráneo, NOvA Far Detector Facility en Ash River, Minnesota.

Wieber conoce bien las limitaciones y desempeña un papel fundamental en la preparación de la instalación final.

NOvA es también un experimento de neutrinos a larga distancia. Consiste en un detector lejano en Ash River y un detector cercano en Fermilab. Un haz de neutrinos procedente del Fermilab se envía a través de ambos detectores.

Una vez que se montó NOvA, las instalaciones de Ash River tenían suficiente espacio de gran altura para crear un área de montaje de prueba para DUNE; es el único lugar con dos prototipos de APA con los que los técnicos pueden practicar su trabajo.

La creación de prototipos es un paso indispensable en el desarrollo de experimentos de física de partículas grandes. Desde probar los componentes para confirmar que funcionarán en condiciones experimentales hasta ensayar el transporte y el ensamblaje de las piezas, las colaboraciones en física de partículas hacen todo lo posible para garantizar que el experimento funcione como se espera.

Muchos componentes de DUNE utilizan herramientas especialmente desarrolladas que Wieber y su equipo fabrican internamente, basándose en dibujos de diseño y listas de materiales. Luego prueban las herramientas en su prototipo DUNE.

"Tenemos grandes ingenieros detrás de nosotros que diseñan las herramientas y los accesorios de tal manera que solo tenemos que aprender a utilizarlos de forma segura", dice Wieber. “¿Son demasiado pesados? ¿Necesitamos otra herramienta auxiliar para facilitar la instalación o extracción? ¿Qué tipo de cosas hay que poner en los cordones para que no se caigan? En cualquier momento cuando estés usando esto, ¿es imposible usarlo sin tres manos?

Cuando se topa con un problema, el equipo de Wieber informa a los ingenieros del problema y propone posibles soluciones. Luego se revisa el diseño y el proceso comienza de nuevo.

"Probablemente puedo contar con una mano cuántos widgets, herramientas y accesorios de la versión uno no han tenido ningún tipo de modificación después de ser probados; algunos de ellos simples, otros totalmente reelaborados", dice Wieber.

"Todas las lecciones aprendidas son valiosas", afirma. “Cualquier cosa que haya sido difícil, que haya requerido mucho tiempo, lo que sea, debe quedar registrada. Porque estamos construyendo un prototipo, y si hay un problema... es necesario documentarlo para que cuando vayamos a escalar esto a kilotones, [el problema] no se agrave”.

La configuración de Ash River es lo suficientemente versátil como para que Wieber y su equipo puedan probar muchas cosas a la vez. Por ejemplo, están instalando sus dos APA en diferentes orientaciones para probar la longitud del cable. Al mismo tiempo, están probando la “flexibilidad” de un plano catódico, para ver si se enderezará después de mantenerlo en forma de luna creciente.

"Los [conjuntos de planos catódicos] del CERN no están colgados derechos, por lo que [el consorcio de alto voltaje] nos pidió que realizáramos esta prueba porque tenemos los únicos otros CPA colgantes que existen", dice Wieber. “Entonces dijimos, sí, podemos.

Los detectores no son las únicas partes de DUNE que pueden beneficiarse de una prueba.

Las pruebas de los componentes del detector DUNE comenzaron en 2017 en el CERN con un par de prototipos de escala vigésima, acertadamente llamados ProtoDUNE. Cada detector ProtoDUNE utilizó diferentes diseños de cámara de proyección de tiempo de argón líquido, y ambos estaban equipados con una pequeña cantidad de componentes detectores a gran escala.

Y está el acelerador de partículas que producirá el haz de neutrinos que estudiarán los detectores. DUNE estará impulsado por un nuevo acelerador lineal superconductor en Fermilab, que se está construyendo a través del proyecto Proton Improvement Plan II, o PIP-II. El acelerador comprenderá cinco tipos diferentes de criomódulos que albergarán y enfriarán las cavidades superconductoras que acelerarán las partículas a más del 80% de la velocidad de la luz.

El equipo PIP-II del Fermilab completó recientemente el montaje de un prototipo de uno de los criomódulos. Llamado criomódulo de alta beta 650 MegaHertz, o HB650, es el criomódulo más grande del acelerador; cuatro criomódulos HB650 conformarán la etapa final de aceleración.

El equipo instaló el prototipo en un banco de pruebas de criomódulos en Fermilab en enero y febrero de 2023. El proceso de instalación requirió que los técnicos conectaran el prototipo a su fuente de energía de radiofrecuencia, lecturas de instrumentación y el sistema de distribución criogénica que lo enfriará a temperaturas superconductoras. .

"Al ser un prototipo de criomódulo, está ampliamente equipado con sensores (mucho más de lo que haríamos en un criomódulo típico en fase de producción) para que podamos observar, monitorear y luego usar esa información para validar nuestros diseños", dice Saravan. Chandrasekaran, ex director de PIP-II del criomódulo HB650 en Fermilab, quien dirigió la asamblea.

Incluso la instalación del criomódulo en su soporte generó comentarios sobre el diseño del criomódulo. Chandrasekaran dice que tanto el soporte como el criomódulo probablemente cambiarán ligeramente de diseño para adaptarse mejor entre sí.

"Trabajamos como un solo equipo", dice. "Todos estamos trabajando para conseguir un acelerador para nuestro laboratorio".

A finales de febrero, el equipo recibió autorización para operar el prototipo. Y a principios de marzo, comenzaron el proceso de “enfriamiento” para probar la capacidad del criomódulo para alcanzar los 2 Kelvin, o menos 456 grados Fahrenheit, necesarios para la superconductividad.

“El prototipo esencialmente sirve como el mejor vehículo para que podamos probar todos los diseños [y] confirmar todas las interfaces para resaltar cualquier problema que pueda estar inherentemente presente y brindarnos la oportunidad de abordarlos antes de pasar a la fase de producción. ”, dice Chandrasekaran.

A mediados de marzo, el equipo de PIP-II informó que habían completado con éxito el tiempo de reutilización del prototipo en el primer intento. El criomódulo alcanzó los 2 K en menos de seis días sin problemas técnicos. En abril, el equipo instaló energía de radiofrecuencia en la primera de seis cavidades. Si bien aún quedan muchas pruebas por realizar, una vez que los datos lleguen y se analicen (y demuestren el rendimiento requerido), el equipo se sentirá más seguro acerca del diseño de este criomódulo.

"Dicen que la prueba del pudín está en la degustación", dice Joe Ozelis, quien ahora dirige el programa de criomódulo PIP-II HB650. “Bueno, para nosotros la prueba del diseño está en las pruebas”.