Advertentie
Neutrino’s zijn enkele van de minst begrepen deeltjes in het universum. Dit komt doordat ze nagenoeg geen interacties hebben met andere deeltjes. Ze zijn niet elektrisch geladen en zijn zeer klein. Hierdoor hebben alleen de zwakke kernkracht en in hele kleine mate de zwaartekracht effect op de deeltjes. Op elk gegeven moment gaan er vele miljarden door je lichaam heen zonder dat je daar iets van merkt. Toch is het wetenschappers nu gelukt om met een prototype van een nieuwe detector zeer precies de deeltjes te observeren.
Wetenschappers van het internationale Deep Underground Neutrino Experiment, of DUNE, hebben voor de eerste keer neutrino’s gedetecteerd met behulp van een compleet nieuwe detector prototype bij het Fermilab. Het Fermi National Accelerator Laboratory, zoals het Fermilab voluit heet, staat in de buurt van Chicago, Illinois en is onderdeel van het Amerikaanse ministerie van Energie. De detector LArPix ligt aan het hart van dit prototype en moet in staat zijn om botsingen met neutrino’s in kaart kunnen brengen als een volledig 3D-beeld. LArPix is gebouwd door het Lawrence Berkely National Laboratory en eerder dit jaar bij het Fermilab geïnstalleerd.
De DUNE deeltjesversneller is op dit moment nog in aanbouw, maar ondertussen worden de verschillende onderdelen en prototypes al wel getest. Hieronder dus LArPix die in februari geïnstalleerd is in een bestaande neutrino deeltjesversneller. Op 10 juli jongstleden was het team in staat om de eerste neutrino’s te detecteren met het prototype, wat een belangrijke mijlpaal is. Het is ongelofelijk moeilijk om neutrino’s te detecteren, en al helemaal om dat met een zodanige resolutie te doen dat dit een 3D-afbeelding oplevert. Om bijvoorbeeld neutrino’s met een zeer hoog energieniveau te kunnen meten is het IceCube observatorium in Antarctica gebouwd, waar meer dan een kubieke kilometer aan ijs gebruikt wordt om botsingen met die hoogenergetische neutrino’s vast te leggen.
Om dit te bereiken had DUNE een zogeheten LArTPC nodig, of ‘Liquid Argon Time Projection Chamber’. TPC’s zijn oorspronkelijk een uitvinding die gedaan is aan het Lawrence Berkeley Laboratory in de jaren 70 en de varianten met vloeibare argon zijn onder andere terug te vinden in verschillende deeltjesversnellers, waaronder CERN. TPC’s maken gebruik van een kamer gevuld met gas (of vloeibare Argon) binnen elektrisch veld en vaak een parallel magnetisch veld, waarmee geïoniseerde deeltjes een kant op worden geforceerd en daarmee aan de muren van de kamer worden gedetecteerd. Deeltjes kunnen worden geïoniseerd wanneer ze in aanraking komen met andere deeltjes, zoals neutrino’s, met het juiste energieniveau. Het gebruik van vloeibare argon verhoogt de dichtheid van het detectiemedium, wat duizend keer meer interacties betekent, en heeft als voordeel dat het een nobel element is en daarom zo min mogelijk effect heeft op de gecreëerde geïoniseerde deeltjes.
Een nagenoeg onmogelijk geacht probleem was dat LArTPC’s niet in staat is om een omgeving zoals die getracht wordt te bereiken met DUNE te weerstaan. Toch is het onderzoekers van Berkeley Lab gelukt en dit is het LArPix prototype geworden. Dit prototype staat zelf bekend als het 2x2 prototype omdat het gebruik maakt van vier rechthoekige modules die samen een kubus vormen. In deze detector zijn 337.000 pixels aanwezig die activeren wanneer er deeltjes tegenaan komen met een lading, oftewel geïoniseerde deeltjes. Deze pixels kunnen hiermee banen van die deeltjes visualiseren met een nauwkeurigheid van 4 mm. Dankzij het modulaire design en zeer nauwkeurige 3D-visualisatie steekt het prototype met kop en schouders boven eerdere neutrino-detectoren, zoals ICARUS en MicroBooNE, uit.
Overigens is het prototype nog niks vergeleken met de uiteindelijke versie die in DUNE terug te vinden moet zijn. Deze moet maar liefst 35 modules krijgen met vloeibare argon, waarvan elke groter is dan de modules van het prototype. Dit is nodig om een goed beeld te kunnen krijgen van de gigantische hoeveelheid neutrino’s die DUNE verwacht wordt op te wekken. DUNE is opgesplitst in twee verschillende locaties. De straal neutrino’s wordt gemaakt in de buurt van Chicago bij het Fermilab, waar het ook door verschillende detectoren gaat. Daarna gaat de straal neutrino’s simpelweg door de grond heen richting Sanford Underground Research Facility, of SURF, ruim 1300 km verderop in South Dakota. Aldaar wordt de neutrino straal ‘opgevangen’ door verschillende gigantische detectoren. LArPix zal bij het Fermilab worden geïnstalleerd, waar de straal nog smal is en heel veel neutrino’s bevat. Dit moet het mogelijk maken om per ‘pulse’ ongeveer 50 interacties met neutrino’s vast te leggen. DUNE moet elke seconde een ‘pulse’ kunnen leveren. Het is uiteindelijk ook de bedoeling om met DUNE de antimaterie variant van neutrino’s te onderzoeken. Een van de theorieën omtrent anti-neutrino’s is dat deze eigenlijk niet bestaan, en dat neutrino’s hun eigen antideeltjes zijn. Zulke deeltjes heten Majorana deeltjes en kunnen veel verklaring bieden over onder andere het ontstaan van het universum.
