El Experimento de Neutrinos Subterráneo Profundo ( DUNE ) es un experimento de neutrinos en construcción, con un detector cercano en Fermilab y un detector lejano en el Centro de Investigación Subterránea de Sanford que observará los neutrinos producidos en Fermilab . Un intenso haz de billones de neutrinos desde las instalaciones de producción de Fermilab (en Illinois ) será enviado a una distancia de 1.300 kilómetros (810 millas) con el objetivo de comprender el papel de los neutrinos en el universo. [1] [2] Más de 1.000 colaboradores trabajan en el proyecto. [3] El experimento está diseñado para un período de recopilación de datos de 20 años. [4]
Los principales objetivos científicos de DUNE son [4] [5]
En 2014, el Panel de Priorización de Proyectos de Física de Partículas (P5) lo clasificó como "el proyecto de mayor prioridad en su cronograma" (recomendación 13). [10] La importancia de estos objetivos ha llevado a propuestas de proyectos competitivos en otros países, en particular el experimento Hyper-Kamiokande en Japón, cuyo inicio de toma de datos está previsto para 2027. El proyecto DUNE, supervisado por Fermilab , ha sufrido retrasos en su ejecución. cronograma y crecimiento del costo de menos de $ 2 mil millones a más de $ 3 mil millones, lo que llevó a artículos en las revistas Science y Scientific American que describieron el proyecto como "problemático". [11] [12] En 2022, el experimento DUNE tuvo una fecha de inicio del haz de neutrinos a principios de la década de 2030, y el proyecto ahora se encuentra en fases. [11] [12]
La línea de luz de DUNE se llama "Instalación de neutrinos de línea de base larga" (LBNF). [13] El diseño final requiere que un haz de protones de 2,4 MW desde el acelerador del inyector principal sea apuntado en la línea de luz LBNF para producir piones y kaones que se enfocan magnéticamente en un tubo de desintegración a través de un cuerno magnético donde se desintegran en neutrinos . Los neutrinos viajarán en línea recta a través de la Tierra, alcanzando unos 30 kilómetros (19 millas) bajo tierra cerca del punto medio, para llegar al laboratorio subterráneo en Lead, Dakota del Sur.
Para que los neutrinos apunten hacia el laboratorio subterráneo, el haz debe dirigirse hacia la Tierra en un ángulo pronunciado. La construcción del LBNF incluirá una colina de 58 pies de altura hecha de suelo compactado, conectada a un túnel de 680 pies de largo que contendrá un tubo de descomposición de partículas de 635 pies de largo. [14] La colina es parte integral de la "mejor gestión del tritio [que es] un enfoque importante en el diseño de esta nueva instalación de mayor potencia de haz". [15] El tritio producido por las líneas de luz puede ingresar al agua subterránea superficial; sin embargo, las tarifas en Fermilab se mantienen a un nivel muy por debajo del permitido por las regulaciones. [dieciséis]
Para proporcionar 1,2 MW de protones al LBNF, debe completarse la segunda fase del Proyecto de Mejora de Protones ("PIP II"), que aumentará la entrega de protones de la cadena del acelerador Fermilab en un 60%. [17] El costo de esta actualización del Fermilab a partir de 2022 es de 1.280 millones de dólares. [18] Por lo tanto, los costos combinados de PIP II y DUNE Fase I superan los $4 mil millones. El proyecto PIP II recibió aprobación para comenzar su construcción en abril de 2022 y se espera que esté terminado en 2028. [17]
El diseño del detector lejano DUNE se basa en la tecnología de última generación de cámara de proyección temporal de argón líquido (LArTPC) . El detector lejano constará de un volumen total de 70 kilotones de argón líquido ubicado a gran profundidad, a 1,5 kilómetros (4850 pies) bajo la superficie. [19] El diseño actual divide el argón líquido entre cuatro módulos LArTPC con un "volumen fiducial" (el volumen utilizable para el análisis físico, que es más pequeño que el volumen total para evitar interacciones cerca de los bordes del detector) de 10 kilotones cada uno. Se excavarán unas 800.000 toneladas de roca para crear las cavernas donde se ubicarán los detectores lejanos. [20]
Dado que los LArTPC son una tecnología relativamente nueva, se ha requerido una amplia investigación y desarrollo y creación de prototipos. [21] En el CERN se están construyendo y probando detectores prototipo . [22] El primero de los dos prototipos, el ProtoDUNE monofásico (experimento NP04 del CERN [23] ), registró sus primeras huellas de partículas en septiembre de 2018. [24] La participación del CERN en DUNE marcó una nueva dirección en la investigación de neutrinos del CERN [25 ] y los experimentos se consideran parte de la Plataforma Neutrino en el programa de investigación del laboratorio. [26]
El experimento MicroBooNE y los detectores del experimento ICARUS son un par de LArTPC de 100 toneladas en el programa Fermilab que también actúan como plataformas de I+D para el desarrollo de detectores DUNE. [27] Estos experimentos han proporcionado información importante, pero son más de 20 veces más pequeños que los módulos DUNE. MicroBooNE es el detector LArTPC de funcionamiento continuo durante más tiempo, habiendo tomado datos de 2015 a 2021, considerablemente más corto que el período de 20 años esperado para DUNE.
El detector cercano DUNE estará ubicado en el sitio Fermilab, aguas abajo del LBNF, a unos 600 metros de donde se producen los neutrinos. El detector cercano DUNE consta de varios subdetectores que se ubicarán uno al lado del otro. Uno de ellos (SAND) se instalará a lo largo del eje del haz de neutrinos. Los otros (NDLAr y NDGar) son móviles y pueden desplazarse en dirección perpendicular al haz para detectar neutrinos en diferentes ángulos de producción. [28] El objetivo principal es monitorear y caracterizar el haz a medida que se crean los neutrinos en la línea LBNF, para hacer predicciones precisas de las tasas de interacción en el detector lejano DUNE. [29]
El proyecto se inició originalmente como un proyecto exclusivo de EE. UU. llamado Experimento de neutrinos de línea de base larga ( LBNE ); Alrededor de 2012-2014 se consideró un telescopio con un detector cercano a la superficie para reducir costos. Sin embargo, el Panel de Priorización de Proyectos de Física de Partículas (P5) concluyó en su informe de 2014 que la actividad de investigación que lleva a cabo el LBNE "debería reformularse bajo los auspicios de una nueva colaboración internacional, como un programa coordinado y financiado internacionalmente, con Fermilab como anfitrión". ". [10] La colaboración LBNE se disolvió oficialmente el 30 de enero de 2015, [30] poco después de que se formara la nueva colaboración recomendada por P5 el 22 de enero de 2015. [31] La nueva colaboración seleccionó el nombre Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) . [32]
En respuesta al llamado del P5 para una mayor participación internacional, a partir de 2022, científicos de más de 30 países participaron en la construcción de LBNF y DUNE. [33] [34] En 2017, el Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas (STFC) del Reino Unido anunció una inversión de £65 millones en DUNE y LBNF. [35] Para 2022, los socios internacionales que proporcionaron contribuciones en especie también incluyeron al CERN , Brasil, Suiza y Polonia [36] y la contribución extranjera total al proyecto de $3 mil millones fue de $570 millones, o alrededor del 20%. [37]
El alcance y el costo originales del proyecto LBNE se establecieron en el paso 1 del proceso de "Decisión Crítica" del Departamento de Energía. La aprobación del CD-1 se produjo en diciembre de 2012 [38] El diseño aprobado redujo significativamente la solicitud del físico, que costó 1.700 millones de dólares. La aprobación del CD-1 fue para un presupuesto de 850 millones de dólares, el detector cercano propuesto no estaba incluido y se recomendó que los detectores lejanos se ubicaran en la superficie en lugar de bajo tierra.
Siguiendo la recomendación del P5 para un alcance de proyecto más sólido que incluyera detectores subterráneos, el proyecto recibió una primera reafirmación CD-1 ("CD-1R") bajo el nombre LBNF/DUNE en noviembre de 2015. El alcance de LBNF/DUNE se publicó en El Informe de diseño conceptual de 2016 pedía que los dos primeros módulos de detectores lejanos se completaran en 2024, que el haz estuviera operativo en 2026 y que los cuatro módulos estuvieran operativos en 2027. [4] El DOE estimó que el costo del proyecto estaría entre $1,26 mil millones a 1,86 mil millones de dólares. [39] En el momento del CD-1R, el DOE requirió que si el costo de referencia proyectado aumentaba a exceder los $2,79 mil millones, o 50% por encima del límite superior del rango, entonces se debía revisar el CD-1R, una situación que ya estaba se realizará en 2020. [39]
En noviembre de 2021, funcionarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE) informaron [40] [41] al Panel Asesor de Física de Altas Energías que, aunque DUNE había obtenido 570 millones de dólares en financiación internacional en ese momento, el costo total del proyecto era de el punto de desencadenar una nueva revisión del CD-1R, llamado CD-1RR. Las revisiones del DOE realizadas en enero y junio de 2021 concluyeron que incluso una versión descubierta del proyecto que constara de solo dos detectores lejanos y un detector cercano excedería el rango superior permitido por el DOE de crecimiento del costo total del proyecto de $2,75 mil millones. El proceso CD-1RR debía establecer un rango de costos y un cronograma mejorados para mediados de 2022. [40] Debido a un historial de asignaciones del Congreso inferiores a las solicitadas para el proyecto, en la misma reunión de noviembre de 2021, el DOE presentó un "perfil conservador [para la financiación] que la Oficina de Ciencias puede apoyar". [40]
En marzo de 2022, como parte del proceso CD-1RR, el DOE anunció que el proyecto se completaría en dos fases. [11] [12] El plan de eliminación gradual [42] se anunció durante el Proceso Snowmass , un ejercicio organizado periódicamente por la División de Partículas y Campos (DPF) de la Sociedad Estadounidense de Física para planificar el futuro de la física de partículas. Nominalmente, la Fase I consistiría en los dos primeros módulos de detectores lejanos, un subconjunto del sistema de detectores cercanos y la línea de luz de 1,2 MW, [42] que se completará en 2032 por un costo estimado de 3.100 millones de dólares. [36] [11]
El proceso CD-1RR se completó el 16 de febrero de 2023, con un costo estimado para el proyecto de $3,3 mil millones y un rango de costo superior permitido de $3,7 mil millones. [43] Para cubrir este costo, el módulo detector 2 estará lleno solo en un 40% con argón líquido al finalizar el proyecto y, por lo tanto, no se podrá utilizar inmediatamente para física. [44] El costo de 3.300 millones de dólares no incluye el precio de aproximadamente 1.000 millones de dólares de la actualización de PIP II que se requiere para DUNE, ni los 660 millones de dólares prometidos a partir de febrero de 2023 por los socios internacionales para DUNE. [45] Incluyendo estos fondos, el costo total para la Fase I de LBNF/DUNE al final del proceso de revisión del CD-1RR fue cercano a $5 mil millones.
La Fase II completaría todo el alcance agregando los dos módulos lejanos adicionales, completando el conjunto de subdetectores en el sitio cercano y mejorando la potencia del haz a 2,4 MW. [42] La Fase II representa un costo superior a los 3.100 millones de dólares estimados para la Fase I [11] y se ha estimado en al menos 900 millones de dólares adicionales. [46] Los físicos han expresado su preocupación de que el plan de dos fases pueda llevar a que DUNE quede muy por detrás de su competencia principal, el experimento Hyper-Kamiokande , [12] y que la Fase II nunca se construya. [11]
El director del proyecto, Chris Mossey, informó sobre la fuente del aumento de costos al Panel de Priorización de Proyectos de Física de Partículas de 2023 en una reunión celebrada en Fermilab en marzo de 2023. [47] Afirmó que las fuentes fueron:
Además de los problemas de gestión de proyectos identificados anteriormente, también se pueden identificar problemas sociológicos que contribuyeron al aumento de los costos:
La principal competencia de DUNE es el experimento Hyper-Kamiokande (Hyper-K). [48] Hyper-K es un detector de volumen total de 260 kton en construcción a 295 km de la fuente de neutrinos del Complejo de Investigación del Acelerador de Protones de Japón ( J-PARC ). Se estima que la construcción estará terminada en 2027. El gobierno japonés ha tenido estrictos controles de costos y no ha permitido que los costos para Japón se extiendan más allá de la estimación original de 2016 de aproximadamente $600 millones. [48] El proyecto ha recibido alrededor de 150 millones de dólares en contribuciones internacionales. [48] Por lo tanto, el costo de Hyper-K es aproximadamente igual al costo aprobado por CD-1 para LBNE (el predecesor de DUNE) a principios de la década de 2010.
En comparación, el detector DUNE Fase I es mucho más pequeño (solo 17 kt) y la distancia desde la fuente de neutrinos del Fermilab al detector es mayor (1300 km). Esto conduce a una tasa esperada de interacciones mucho más baja en DUNE que en Hyper-K. Además, la escala de tiempo de Hyper-K sigue en marcha, por lo que se puede esperar que el detector comience a tomar datos entre 4 y 5 años antes de las proyecciones actuales para DUNE.
Se prevé que el primer resultado de DUNE sobre la infracción de CP se retrasará 5 años con respecto al resultado de Hyper-K. El informe final del Informe del grupo temático Snowmass 2021 sobre oscilaciones de neutrinos de tres sabores publicado el 15 de junio de 2022 [49] estimó que Hyper-K publicaría un resultado de 5σ (por lo tanto, nivel de descubrimiento) sobre la violación de CP en 2034 y DUNE. en 2039. Las estimaciones sobre alcanzar una comprensión de 5σ del ordenamiento masivo eran más esperanzadoras en una competencia cara a cara con Hyper-K, con DUNE superando a Hyper-K por dos años si el cronograma de 2022 no falla. Esto se debe a que Hyper-K tiene una línea de base más corta que DUNE y la capacidad de determinar el orden de masa depende de la distancia que recorren los neutrinos. [48] Sin embargo, se predice que tanto DUNE como Hyper-K obtendrán información sobre el ordenamiento de masas mediante la combinación del experimento JUNO en China y como un conjunto de experimentos de neutrinos atmosféricos que existen o están ahora en construcción. [49]
El director del Fermilab, Merminga, se enfrentó a la posibilidad de que DUNE fuera elegido por la competencia en una presentación ante el Comité Científico de la Cámara en junio de 2022. [50] En respuesta, Merminga afirmó que los proyectos son complementarios, y que DUNE proporciona reconstrucciones más precisas de neutrinos. interacciones debidas a la tecnología de argón líquido que las que se pueden lograr en el detector de agua Hyper-K a base de agua. [50] Sin embargo, Merminga no explicó por qué se requiere una reconstrucción más precisa dado que los detectores de agua pueden alcanzar los mismos objetivos físicos.
Las instalaciones de investigación subterránea de Sanford utilizan y están ampliando las instalaciones de la mina Homestake (Dakota del Sur) , que dejó de funcionar a finales de 2001, para dar cabida a los módulos detectores lejanos. La excavación de las cavidades del detector lejano DUNE comenzó el 21 de julio de 2017. [51] [20] Siete años después, en enero de 2024, la excavación de las cavernas había llegado a su fin. [52]
La roca extraída del subsuelo se deposita en Open Cut en el centro de la ciudad de Lead, Dakota del Sur . En junio de 2021, las columnas de polvo que se elevaban desde Open Cut debido a la construcción de DUNE provocaron quejas de empresas, propietarios de viviendas y usuarios de un parque cercano. [53] Las quejas continuaron hasta la primavera de 2022 sin una respuesta adecuada por parte de la administración de Fermilab, lo que provocó que la Autoridad de Ciencia y Tecnología de Dakota del Sur cerrara la excavación el 31 de marzo de 2022. [54] Siguió una investigación en la que el equipo de administración de Fermilab admitió fallas en los protocolos. , e instigó nuevas medidas para evitar que el polvo negro salga del Open Cut. [55] [56] Con estas garantías implementadas, a Fermilab se le permitió reanudar el vertido de rocas el 8 de abril de 2022. [56] La excavación está en marcha y alcanzó un 75% de finalización en el verano de 2023. [57]