El Deep Underground Neutrino Experiment ( DUNE ) es un experimento de neutrinos en construcción, con un detector cercano en Fermilab y un detector lejano en la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford que observará los neutrinos producidos en Fermilab . Un haz intenso de billones de neutrinos desde la instalación de producción en Fermilab (en Illinois ) será enviado a una distancia de 1.300 kilómetros (810 mi) 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 20 años de recopilación de datos. [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 marco temporal" (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, programado para comenzar a tomar datos en 2027. El proyecto DUNE, supervisado por Fermilab , ha sufrido retrasos en su cronograma y un aumento 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 tenía una fecha de inicio del haz de neutrinos a principios de la década de 2030, y el proyecto ahora está en fases. [11] [12]
La línea de luz de DUNE se llama "Long Baseline Neutrino Facility" (LBNF). [13] El diseño final requiere que un haz de protones de 2,4 MW del acelerador del inyector principal se dirija a 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 dirigir los neutrinos 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 tierra compactada, que se conectará a un túnel de 680 pies de largo que contendrá una tubería de desintegración de partículas de 635 pies de largo. [14] La colina es parte integral de la "gestión mejorada del tritio [que es] un enfoque principal en el diseño de esta nueva instalación de mayor potencia del haz". [15] El tritio producido por las líneas de luz puede ingresar al agua subterránea superficial, sin embargo, las tasas en Fermilab se mantienen a un nivel muy por debajo del permitido por las regulaciones. [16]
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 desde la cadena de aceleradores de Fermilab en un 60%. [17] El costo de esta actualización de Fermilab a partir de 2022 es de $1.28 mil millones. [18] Por lo tanto, los costos combinados de PIP II y DUNE Fase I superan los $4 mil millones. El proyecto PIP II recibió la aprobación para comenzar la construcción en abril de 2022 y se espera que esté terminado para 2028. [17]
El diseño del detector de largo alcance de DUNE se basa en la tecnología de vanguardia de la cámara de proyección temporal de argón líquido (LArTPC) . El detector de largo alcance constará de un volumen total de 70 kilotones de argón líquido ubicado en las profundidades del subsuelo, a 1,5 kilómetros (4.850 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 menor que el volumen total para evitar interacciones cerca de los bordes del detector) de 10 kilotones cada uno. Se excavarán alrededor de 800.000 toneladas de roca para crear las cavernas para los detectores de largo alcance. [20]
Dado que los LArTPC son una tecnología relativamente nueva, se ha requerido una extensa investigación y desarrollo y creación de prototipos. [21] Se están construyendo y probando detectores prototipo en el CERN . [22] El primero de los dos prototipos, el ProtoDUNE monofásico (experimento NP04 del CERN [23] ), registró sus primeras trazas 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 conocen como parte de la Plataforma de Neutrinos en el programa de investigación del laboratorio. [26]
Los detectores del experimento MicroBooNE y del experimento ICARUS son un par de LArTPC de escala de 100 toneladas en el programa Fermilab que también actúan como plataformas de I+D para el desarrollo del detector 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 que más tiempo ha estado en funcionamiento continuo, habiendo tomado datos desde 2015 hasta 2021, considerablemente más corto que el período de tiempo 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 se pueden desplazar en la dirección perpendicular al haz para detectar neutrinos en diferentes ángulos de producción. [28] El propósito principal es monitorear y caracterizar el haz a medida que se crean los neutrinos en la línea LBNF, a fin de realizar predicciones precisas de las tasas de interacción en el detector lejano DUNE. [29]
El proyecto se inició originalmente como un proyecto exclusivo de Estados Unidos llamado Long Baseline Neutrino Experiment ( LBNE ); alrededor de 2012-2014 se consideró un descope con un detector cercano a la superficie para reducir el costo. 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 estaba llevando a cabo 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 eligió el nombre de 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 CERN , Brasil, Suiza y Polonia [36] y la contribución extranjera total al proyecto de $3 mil millones fue de $570 millones, o aproximadamente el 20%. [37]
En agosto de 2024, los científicos detectaron los primeros neutrinos utilizando un detector de partículas prototipo DUNE en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía de EE. UU . [38].
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 [39]. El diseño aprobado redujo significativamente la solicitud del físico, que costó 1.700 millones de dólares. La aprobación del CD-1 se realizó por un presupuesto de 850 millones de dólares, no se incluyó el detector cercano propuesto y se recomendó que los detectores lejanos se ubicaran en la superficie en lugar de bajo tierra.
Tras la recomendación del P5 de 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 que exigía que los dos primeros módulos de detector lejano 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 y $1.86 mil millones. [40] En el momento de la CD-1R, el DOE exigió que si el aumento del costo de referencia proyectado superaba los $2.79 mil millones, o el 50% por encima del límite superior del rango, entonces se debía revisar la CD-1R, una situación que ya se estaba haciendo realidad en 2020. [40]
En noviembre de 2021, los funcionarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE) informaron [41] [42] al Panel Asesor de Física de Altas Energías que, aunque DUNE había obtenido $570 millones en financiación internacional en ese momento, el costo total del proyecto estaba a punto de desencadenar una nueva revisión del CD-1R, llamada CD-1RR. Las revisiones del DOE realizadas en enero y junio de 2021 concluyeron que incluso una versión del proyecto sin alcance que constara de solo dos detectores lejanos y un detector cercano superaría 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. [41] 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". [41]
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 fases [43] 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 detector lejano, un subconjunto del sistema de detector cercano y la línea de luz de 1,2 MW, [43] que se completará en 2032 por un costo estimado de $3,1 mil millones. [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 máximo permitido de $3.7 mil millones. [44] Para cubrir este costo, el módulo detector 2 solo se llenará en un 40 % con argón líquido al finalizar el proyecto y, por lo tanto, no se podrá usar de inmediato para la física. [45] El costo de $3.3 mil millones no incluye el precio de aproximadamente $1 mil millones de la actualización PIP II que se requiere para DUNE, ni los $660 millones prometidos a febrero de 2023 por socios internacionales para DUNE. [46] Incluyendo estos fondos, el costo total para la Fase I de LBNF/DUNE al final del proceso de revisión de CD-1RR fue cercano a $5 mil millones.
La Fase II completaría el alcance total añadiendo los dos módulos lejanos adicionales, completando el conjunto de subdetectores en el sitio cercano y actualizando la potencia del haz a 2,4 MW. [43] La Fase II representa un costo que supera los 3.100 millones de dólares estimados para la Fase I [11] y se ha estimado que es al menos 900 millones de dólares adicionales. [47] Los físicos han expresado su preocupación de que el plan de dos fases puede hacer que DUNE quede muy por detrás de su principal competencia, el experimento Hyper-Kamiokande , [12] y que la Fase II puede que nunca se construya. [11]
El director del proyecto, Chris Mossey, informó sobre la fuente de los crecientes costos al Panel de Priorización del Proyecto de Física de Partículas de 2023 en una reunión celebrada en Fermilab en marzo de 2023. [48] Afirmó que las fuentes fueron:
Además de los problemas de gestión de proyectos identificados anteriormente, también se pueden identificar cuestiones sociológicas que contribuyeron al aumento de los costos:
El principal competidor de DUNE es el experimento Hyper-Kamiokande (Hyper-K). [49] 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 controles de costos estrictos y no ha permitido que los costos para Japón se extiendan más allá de la estimación original de 2016 de aproximadamente $600 millones. [49] El proyecto ha recibido alrededor de $150 millones en contribuciones internacionales. [49] Por lo tanto, el costo de Hyper-K es aproximadamente igual al costo aprobado 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 (sólo 17 kt) y la distancia desde la fuente de neutrinos de Fermilab hasta el detector es mayor (1300 km). Esto hace que la tasa de interacciones prevista en DUNE sea mucho menor que en Hyper-K. Además, la escala temporal de Hyper-K sigue en curso, por lo que se puede esperar que el detector comience a tomar datos entre 4 y 5 años antes de lo previsto actualmente para DUNE.
Se prevé que el primer resultado de DUNE sobre la violación de CP se retrase cinco 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 [50] estimó que Hyper-K publicaría un resultado 5σ (por lo tanto, nivel de descubrimiento) sobre la violación de CP en 2034 y DUNE en 2039. Las estimaciones sobre alcanzar una comprensión 5σ del ordenamiento de masas 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 se retrasa. Esto se debe a que Hyper-K tiene una línea de base más corta que DUNE, y la capacidad de determinar el ordenamiento de masas depende de la distancia que recorren los neutrinos. [49] Sin embargo, se prevé que tanto DUNE como Hyper-K se vean superados en el ordenamiento de masas por la combinación del experimento JUNO en China y un conjunto de experimentos de neutrinos atmosféricos que existen o están actualmente en construcción. [50]
El director del Fermilab, Merminga, fue cuestionado sobre la posibilidad de que DUNE fuera superado por la competencia en una presentación ante el Comité de Ciencias de la Cámara en junio de 2022. [51] En respuesta, Merminga afirmó que los proyectos son complementarios, y que DUNE proporciona reconstrucciones más precisas de las interacciones de neutrinos debido a la tecnología de argón líquido de las que se pueden lograr en el detector de agua Hyper-K basado en agua. [51] 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.
La instalación de investigación subterránea de Sanford aprovecha y amplía las instalaciones de la mina Homestake (Dakota del Sur) , que cesó sus operaciones a finales de 2001, para alojar los módulos de detectores lejanos. La excavación de las cavidades de los detectores lejanos de DUNE comenzó el 21 de julio de 2017. [52] [20] Siete años después, el 15 de agosto de 2024, se anunció la finalización de las cavernas. [53]
Los retrasos en la finalización surgieron tanto por la complejidad del proyecto subterráneo como por problemas con la liberación de polvo en la superficie. La roca extraída del subsuelo se depositó en el tajo abierto en el centro de la ciudad de Lead, Dakota del Sur . En junio de 2021, columnas de polvo que se elevaban del tajo abierto debido a la construcción de DUNE provocaron quejas de empresas, propietarios de viviendas y usuarios de un parque cercano. [54] Las quejas continuaron durante la primavera de 2022 sin una respuesta adecuada de la dirección 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. [55]
Se inició una investigación en la que el equipo de gestión del Fermilab admitió fallas en los protocolos e impuso nuevas medidas para evitar que el polvo negro saliera de Open Cut. [56] [57] Con estas garantías, se permitió al Fermilab reanudar el vertido de rocas el 8 de abril de 2022 [57] y el proyecto se completó dos años después.