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Oct 03, 2023

練習すれば完璧 (粒子検出器)

Una volta completato, il Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) sarà completato.

深層ニュートリノ実験（DUNE）が完了すると、世界で最も包括的なニュートリノ実験となる。そして、地下1マイルの洞窟にDUNE用の巨大な遠方検出器を設置することは、世界最大のオペレーションゲームのようなものになるだろう。

DUNE は 2 つの検出器で構成されます。1 つは小型の近検出器で、イリノイ州にある米国エネルギー省のフェルミ国立加速器研究所に設置されます。 もう1つは、サウスダコタ州のサンフォード地下研究施設（SURF）に設置される大型の遠方探知機です。

遠距離検出器は 4 つのモジュールで構成されるように設計されており、そのうち 2 つは建設中、2 つはまだ計画中です。それぞれのモジュールの寸法はほぼ 6 階建ての建物と同じで、長さはサッカー場と同じです。 1 つのモジュールは、陽極面アセンブリ (APA) と呼ばれる 25 列の小型ニュートリノ検出器で構成されます。これは、実験で最も壊れやすいコンポーネントの一部です。

SURF の DUNE ファーディテクタは地下洞窟で組み立てられているため、作業の余地はあまりありません。 APA の最後の列を設置する技術者は壁に向かって立ち、安全に作業できる範囲はわずか数メートルです。 シザーリフトを導入すれば、シザーリフトとAPAの間には人間が歩ける程度のスペースが確保されます。 終わったら、持ち込んだ道具や器具をすべて持ち帰って、なんとか戻らなければなりません。

検出器を完成させるために、「我々は数インチの余裕を持って作業している」と、ミネソタ州アッシュリバーにある別の地下研究所、NOvA Far Detector Facility のマネージャーである Tom Wieber 氏は言う。

ウィーバーは、最終的な設置の準備において重要な役割を果たしているため、制約についてはよく知っています。

NOvAは長距離ニュートリノ実験でもあります。 アッシュ川の遠方検出器とフェルミ研究所の近方検出器で構成されています。 フェルミ研究所から発生したニュートリノのビームは両方の検出器を通過します。

NOvA が組み立てられると、アッシュ リバーの施設には、DUNE の試験組み立てエリアを作成するのに十分な高層スペースが確保されました。 ここは、技術者が作業を練習できる 2 つのプロトタイプ APA がある唯一の場所です。

プロトタイピングは、大粒子物理実験の開発において不可欠なステップです。 実験条件で動作することを確認するためのコンポーネントのテストから、部品の輸送と組み立てのリハーサルに至るまで、素粒子物理学のコラボレーションは、実験が期待どおりに実行されることを確認するために多大な労力を費やします。

DUNE の多くのコンポーネントは、設計図と材料のリストに基づいて Wieber と彼のチームが社内で製造した特別に開発されたツールを使用しています。 次に、DUNE プロトタイプでツールをテストします。

「私たちの背後には、安全に使用する方法を見つけるだけで済むような方法でツールや治具を設計する優れたエンジニアがいます」とウィーバー氏は言います。 「たとえば、重すぎませんか? 取り付けや取り外しを簡単にするために、別の補助ツールが必要ですか? 落ちないように、どのようなものをストラップに付ける必要がありますか? これを使用するときはいつでも、手が３本ないと使えないの？」

問題が発生すると、Wieber のチームはエンジニアに問題を通知し、修正の可能性を提案します。 その後、設計が修正され、プロセスが再度開始されます。

「テスト後に何らかの変更を加えていないバージョン 1 のウィジェット、ツール、フィクスチャの数はおそらく片手で数えることができます。その中には単純なものもあれば、完全に作り直されたものもあります。」と Wieber 氏は言います。

「学んだ教訓はすべて貴重なものです」と彼は言います。 「難しいこと、時間がかかること、その他何でも、それは記録する必要があります。私たちはプロトタイプを構築しているので、問題があれば…それを文書化する必要があります。そうすれば、これをキロトンにスケールするときに、[問題は]悪化していないことだ。」

Ash River のセットアップは多用途であるため、Wieber と彼のチームは一度に多くのことをテストできます。 たとえば、ケーブルの長さをテストするために、2 つの APA を異なる方向に設置しています。 同時に、カソードプレーンの「曲がり」をテストし、三日月型に保持した後に真っ直ぐになるかどうかを確認しています。

「CERN の [カソード プレーン アセンブリ] はまっすぐに吊り下げられていません。そのため、[高電圧コンソーシアム] は、現存する他に吊り下げ式 CPA しかないため、このテストを行うよう私たちに依頼しました」と Wieber 氏は言います。 「それで、私たちは『はい、できる』と言いました。

テスト実行から恩恵を受けることができる DUNE の部分は検出器だけではありません。

DUNE 検出器コンポーネントのテストは、2017 年に CERN で、ProtoDUNE と適切に呼ばれる 20 分の 1 スケールのプロトタイプのペアで始まりました。 各 ProtoDUNE 検出器は異なる液体アルゴン時間投影チャンバー設計を使用しており、どちらも少数の本格的な検出器コンポーネントを備えていました。

そして、検出器が研究するニュートリノのビームを生成する粒子加速器があります。 DUNE は、陽子改良計画 II (PIP-II) プロジェクトを通じて建設されているフェルミ研究所の新しい超伝導線形加速器によって駆動されます。 この加速器は、粒子を光速の 80% 以上まで加速する超伝導空洞を収容および冷却する 5 つの異なるタイプのクライオモジュールで構成されます。

フェルミ研究所の PIP-II チームは最近、クライオモジュールの 1 つのプロトタイプの組み立てを完了しました。 高ベータ 650 メガヘルツ (HB650) クライオモジュールと呼ばれるこのモジュールは、加速器内で最大のクライオモジュールです。 4 つの HB650 クライオモジュールが加速の最終段階を構成します。

チームは、2023年1月と2月にフェルミ研究所のクライオモジュールテストスタンドにプロトタイプを設置した。設置プロセスでは、技術者がプロトタイプを高周波電源、計器の読み取り値、超電導温度まで冷却する極低温分配システムに接続する必要があった。 。

「これはプロトタイプのクライオモモジュールであり、一般的な生産段階のクライオモモジュールで行うものよりもはるかに多くのセンサーが広範囲に装備されているため、観察、監視し、その情報を使用して設計を検証することができます」とサラヴァン氏は言います。フェルミ研究所のHB650クライオモジュールの元PIP-IIマネージャーであり、アセンブリを主導したチャンドラセカラン氏。

クライオモジュールをスタンドに設置したことでも、クライオモジュールの設計に関するフィードバックが得られました。 チャンドラセカラン氏は、スタンドとクライオモジュールの両方が相互にうまく適合するように設計を若干変更する可能性が高いと述べた。

「私たちは一つのチームとして働いています」と彼は言います。 「私たちは皆、研究室用の加速器の獲得に向けて取り組んでいます。」

2月下旬、チームはプロトタイプを運用する許可を得た。 そして3月初旬には、超電導に必要な2ケルビン、つまり華氏マイナス456度に到達するクライオモジュールの能力をテストする「クールダウン」プロセスを開始した。

「プロトタイプは基本的に、すべての設計をテストし、すべてのインターフェースを確認して本質的に存在する可能性のある問題を明らかにし、生産段階に移行する前にそれらに対処する機会を提供するための最良の手段として機能します。 」とチャンドラセカラン氏は言う。

3 月中旬、PIP-II チームは、プロトタイプのクールダウンを最初の試行で正常に完了したと報告しました。 クライオモジュールは技術的な問題もなく、6 日以内に 2 K に到達しました。 4月にチームは6つの空洞のうちの最初の空洞に高周波電力を投入した。 やるべきテストはまだたくさんありますが、データが到着して分析され、必要なパフォーマンスが実証されれば、チームはこのクライオモジュールの設計にさらに自信を持つことになるでしょう。

「プリンの証拠はテイスティングにあると言われています」と、現在 PIP-II HB650 クライオモジュール プログラムを管理しているジョー オゼリス氏は言います。 「そうですね、私たちにとって、デザインの証明はテストにあります。」