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Oct 03, 2023

La pratique rend parfait (détecteurs de particules)

Une fois terminée, l'expérience Deep Underground Neutrino, ou DUNE, sera la

Une fois terminée, l'expérience Deep Underground Neutrino, ou DUNE, sera l'expérience de neutrinos la plus complète au monde.

DUNE se composera de deux détecteurs : un plus petit détecteur proche, qui sera situé au Fermi National Accelerator Laboratory du département américain de l'énergie dans l'Illinois ; et un détecteur lointain plus grand, qui sera situé au Sanford Underground Research Facility, ou SURF, dans le Dakota du Sud.

Le détecteur lointain est conçu pour être composé de quatre modules, dont deux sont en construction et deux sont encore en projet, chacun ayant les dimensions d'un immeuble de près de six étages et la longueur d'un terrain de football. Un module sera composé de 25 rangées de détecteurs de neutrinos plus petits appelés assemblages de plan d'anode - APA - certains des composants les plus fragiles de l'expérience.

Le détecteur lointain DUNE de SURF étant assemblé dans une caverne souterraine, il n'y a pas beaucoup de marge de manœuvre pour travailler. Les techniciens installant la dernière rangée d'APA seront contre un mur et n'auront que quelques mètres pour opérer en toute sécurité ; une fois qu'ils auront amené l'élévateur à ciseaux, il y aura juste assez de place pour qu'un humain puisse marcher entre celui-ci et les APA. Une fois qu'ils auront terminé, ils devront se faufiler, emportant avec eux tous les outils et instruments qu'ils ont apportés.

Pour terminer le détecteur, "nous travaillons avec des pouces à revendre", explique Tom Wieber, directeur d'un autre laboratoire souterrain, NOvA Far Detector Facility à Ash River, Minnesota.

Wieber connaît bien les contraintes, car il joue un rôle essentiel dans la préparation de l'installation finale.

NOvA est également une expérience sur les neutrinos à longue distance. Il se compose d'un détecteur lointain à Ash River et d'un détecteur proche au Fermilab. Un faisceau de neutrinos provenant du Fermilab est envoyé à travers les deux détecteurs.

Une fois NOvA assemblé, l'installation d'Ash River disposait d'un espace de grande hauteur suffisant pour créer une zone d'assemblage d'essai pour DUNE ; c'est le seul endroit avec deux prototypes d'APA avec lesquels les techniciens peuvent s'entraîner.

Le prototypage est une étape indispensable dans le développement d'expériences de physique des grandes particules. Du test des composants pour confirmer qu'ils fonctionneront dans des conditions expérimentales à la répétition du transport et de l'assemblage des pièces, les collaborations en physique des particules se donnent beaucoup de mal pour s'assurer que l'expérience se déroulera comme prévu.

De nombreux composants de DUNE utilisent des outils spécialement développés que Wieber et son équipe fabriquent en interne, sur la base de dessins de conception et de listes de matériaux. Ils testent ensuite les outils sur leur prototype DUNE.

"Nous avons de grands ingénieurs derrière nous qui conçoivent les outils et les montages de telle manière que nous n'avons qu'à découvrir comment les utiliser en toute sécurité", déclare Wieber. "Par exemple, sont-ils trop lourds ? Avons-nous besoin d'un autre outil d'aide pour faciliter l'installation ou le retrait ? Quel genre de choses faut-il mettre sur les longes pour qu'elles ne tombent pas ? À tout moment lorsque vous l'utilisez, est-il impossible de l'utiliser sans trois mains ? »

Lorsqu'ils rencontrent un problème, l'équipe de Wieber informe les ingénieurs du problème et propose des correctifs potentiels. Ensuite, la conception est révisée et le processus recommence.

"Je peux probablement compter d'une part sur le nombre de widgets, d'outils et d'appareils de la première version qui n'ont subi aucune modification après avoir été testés, certains simples, d'autres totalement retravaillés", déclare Wieber.

"Toutes les leçons apprises sont précieuses", dit-il. "Tout ce qui était difficile, chronophage, peu importe, cela doit être enregistré. Parce que nous construisons un prototype, et s'il y a un problème… il doit être documenté afin que lorsque nous allons mettre à l'échelle cette chose en kilotonnes, [le problème n'est] pas aggravé. "

La configuration d'Ash River est suffisamment polyvalente pour que Wieber et son équipe puissent tester plusieurs choses à la fois. Par exemple, ils installent leurs deux APA dans des orientations différentes pour tester la longueur du câble. Simultanément, ils testent la "courbure" d'un plan cathodique - pour voir s'il se redressera après avoir été maintenu en forme de croissant de lune.

"Les [assemblages de plans cathodiques] du CERN ne sont pas suspendus, donc [le consortium haute tension] nous a demandé d'effectuer ce test car nous avons les seuls autres CPA suspendus qui existent", explique Wieber. "Alors, nous avons dit, oui, nous pouvons.

Les détecteurs ne sont pas les seules parties de DUNE qui peuvent bénéficier d'un test.

Les tests des composants du détecteur DUNE ont commencé en 2017 au CERN avec une paire de prototypes à l'échelle 1/20 appelés à juste titre ProtoDUNE. Chaque détecteur ProtoDUNE utilisait différentes conceptions de chambre de projection temporelle à argon liquide, et les deux étaient instrumentés avec un petit nombre de composants de détecteur à grande échelle.

Et il y a l'accélérateur de particules qui produira le faisceau de neutrinos que les détecteurs étudieront. DUNE sera alimenté par un nouvel accélérateur linéaire supraconducteur au Fermilab, qui est en cours de construction dans le cadre du projet Proton Improvement Plan II, ou PIP-II. L'accélérateur comprendra cinq types différents de cryomodules qui abriteront et refroidiront les cavités supraconductrices qui accéléreront les particules à plus de 80 % de la vitesse de la lumière.

L'équipe PIP-II du Laboratoire Fermi a récemment terminé l'assemblage d'un prototype de l'un des cryomodules. Appelé cryomodule à bêta élevé de 650 mégahertz, ou HB650, il s'agit du plus grand cryomodule de l'accélérateur ; quatre cryomodules HB650 constitueront la dernière étape d'accélération.

L'équipe a installé le prototype dans un banc d'essai de cryomodules au Fermilab en janvier et février 2023. Le processus d'installation a nécessité que des techniciens connectent le prototype à sa source d'alimentation radiofréquence, aux lectures d'instrumentation et au système de distribution cryogénique qui le refroidira à des températures supraconductrices.

« Celui-ci étant un prototype de cryomodule, il est largement instrumenté avec des capteurs - bien plus que ce que nous ferions dans un cryomodule typique en phase de production - afin que nous puissions observer, surveiller et ensuite utiliser ces informations pour valider nos conceptions », explique Saravan Chandrasekaran, ancien responsable du PIP-II pour le cryomodule HB650 au Fermilab, qui a dirigé l'assemblage.

Même l'installation du cryomodule sur son stand a donné lieu à des retours d'expérience sur la conception du cryomodule. Chandrasekaran dit que le support et le cryomodule changeront probablement légèrement de conception pour mieux s'adapter l'un à l'autre.

"Nous travaillons comme une seule équipe", dit-il. "Nous travaillons tous à obtenir un accélérateur pour notre laboratoire."

Fin février, l'équipe a reçu l'autorisation d'exploiter le prototype. Et début mars, ils ont commencé le processus de "refroidissement" pour tester la capacité du cryomodule à atteindre les 2 Kelvin, ou moins 456 degrés Fahrenheit, nécessaires à la supraconductivité.

"Le prototype nous sert essentiellement de meilleur véhicule pour tester toutes les conceptions [et] confirmer toutes les interfaces pour mettre en évidence tous les problèmes qui pourraient être intrinsèquement présents et nous donner l'occasion de les résoudre avant de passer à la phase de production ", explique Chandrasekaran.

À la mi-mars, l'équipe PIP-II a signalé qu'elle avait terminé avec succès le refroidissement du prototype du premier coup. Le cryomodule avait atteint 2 K en moins de six jours sans problème technique. En avril, l'équipe a mis de la puissance radiofréquence dans la première des six cavités. Bien qu'il y ait encore beaucoup de tests à faire, une fois que les données seront arrivées et analysées - et démontreront les performances requises - l'équipe se sentira plus confiante quant à la conception de ce cryomodule.

"Ils disent que la preuve du pudding est dans la dégustation", déclare Joe Ozelis, qui gère désormais le programme de cryomodule PIP-II HB650. "Eh bien, pour nous, la preuve de la conception réside dans les tests."