첫 번째 감지기 모듈의 대량 생산을 늘릴 준비가 된 DUNE 협업

2023년 3월 30일 | 다이애나 권

심지하 중성미자 실험의 첫 번째 검출 모듈 구축을 위한 준비가 빠르게 진행되고 있습니다. 국제 DUNE 협력 회원들은 사우스다코타로 배송될 감지기 구성 요소에 대한 최종 테스트를 시작했습니다. 그곳에서 그들은 우주에서 가장 파악하기 어려운 입자 중 일부인 중성미자를 연구하기 위해 고안된 독특한 실험의 일부가 될 것입니다.

DUNE은 중성미자의 본질을 탐구하기 위한 실험입니다. 과학자들은 이러한 입자의 비밀을 풀면 우주가 왜 물질로 구성되어 있는지, 별 폭발의 여파로 중성자별과 블랙홀이 어떻게 형성되는지 등 물리학의 가장 큰 미스터리 중 일부가 밝혀질 수 있기를 바라고 있습니다.

미국 에너지부 산하 페르미 국립 가속기 연구소(Fermi National Accelerator Laboratory)가 주최하는 DUNE은 일리노이주의 페르미연구소(Fermilab) 부지와 사우스다코타주의 샌포드 지하 연구 시설(Sanford Underground Research Facility) 두 곳에 설치될 예정입니다. 궁극적으로 4개의 모듈로 구성될 것으로 예상되는 거대한 구조물인 원거리 감지기는 SURF 지하 1.5km에 위치할 것입니다. 각 모듈은 중성미자 연구에 이상적인 공기 중에서 흔히 발견되는 원소인 17,000톤의 아르곤으로 채워지도록 설계된 액체 아르곤 시간 투영 챔버(LArTPC)가 될 것입니다.

양극 평면 어셈블리라고 불리는 와이어 평면의 건설이 영국의 Daresbury 연구소에서 진행 중입니다. 이 연구소는 심층 지하 중성미자 실험을 위해 사우스다코타에 136개의 APA를 배송할 예정입니다. 사진: DUNE 콜라보레이션

SURF에 구축될 최초의 DUNE 감지 모듈은 수평 드리프트 기술을 사용합니다. 중성미자가 모듈 내부의 아르곤 원자와 충돌하면 하전 입자가 생성됩니다. 이러한 하전 입자는 아르곤을 통과하면서 전자를 녹아웃시킵니다. 전자는 전자가 생성된 위치의 투영을 기록하는 양극 평면 조립체(APA)를 향한 강한 전기장에 의해 끌어당겨집니다. 전자가 APA에 충돌하는 타이밍을 측정함으로써 과학자들은 3차원 입자 트랙을 재구성할 수 있습니다.

완료되면 첫 번째 감지기 모듈에는 150개의 APA가 포함되며, 각 APA는 약 2.3m x 6m 크기의 큰 직사각형 평면으로 단단히 감겨진 구리-베릴륨 와이어로 구성됩니다. 맨체스터 대학의 물리학 교수인 저스틴 에반스(Justin Evans)는 “우리는 와이어 그리드로 벽을 효과적으로 미장할 것입니다.”라고 말했습니다. 그는 영국에서 APA 구축을 주도하고 있습니다.

첫 번째 모듈의 기술은 2019년 CERN Neutrino 플랫폼에서 ProtoDUNE이라는 축소 버전에서 성공적으로 테스트되었습니다. 크기는 최종 DUNE 감지기 모듈의 1/20에 불과했지만 여전히 지금까지 구축된 가장 큰 LArTPC였습니다. 그리고 수술했다.

Evans는 “영국에서 이러한 와이어 그리드를 구축하고 데이터를 가져온 것은 이번이 처음이었습니다.”라고 말했습니다. "그리고 그들은 훌륭하게 일했습니다."

수평 드리프트 프로토타입은 감지기 기술이 작동할 것임을 입증했을 뿐만 아니라 설계 개선이 가능한 부분도 밝혀냈습니다. 이를 염두에 두고 과학자들은 올해 CERN에서 테스트를 받을 업그레이드된 프로토타입인 ProtoDUNE II를 설계했습니다.

CERN의 설치 팀 리더인 Thomas Wieber는 "프로토타입에는 항상 교훈이 있습니다."라고 말했습니다. "우리는 우리가 더 잘 작동할 것이라고 생각하는 것이 실제로 더 잘 작동한다는 것을 증명하고 싶습니다."

DUNE 과학자들은 또한 두 번째 원거리 검출기 모듈을 위해 계획된 기술인 수직 드리프트 검출기 기술 개발에도 힘쓰고 있습니다. 수직 드리프트 모듈-0으로 알려진 별도의 프로토타입 검출기에서 신기술을 테스트하기 위한 준비가 CERN에서도 진행 중입니다.

수평 드리프트 모듈 어셈블리의 모든 측면을 테스트하려면 전 세계 DUNE 협력업체에서 제공하는 모든 감지기 구성 요소가 안전하게 도착하는지 확인하는 것도 포함됩니다. 이 프로세스가 원활하게 진행되도록 하기 위해 ProtoDUNE II는 설치 프로세스의 테스트베드 역할도 했습니다. 탐지기 부품 제조에 참여한 그룹은 모든 테스트 부품을 CERN에 모아 프로토타입을 조립하고 테스트했습니다.