Fotogalerie: Im kanadischen SNOLAB „hört“ die Physik dem Universum zu

Zwei Kilometer unter der Erde in Ontario suchen Gestein, Reinräume, Detektoren und digitale Systeme nach Neutrinos, dunkler Materie und extrem seltenen wissenschaftlichen Phänomenen.

SNOLAB: Detektoren, Kryoanlagen, Experimentierräume und Umweltkontrollsysteme unterstützen Forschungsprogramme zu Neutrinos, Dunkler Materie und Physik mit sehr niedrigem Hintergrund. — Das SNOLAB-Übertagegebäude in der Creighton-Mine unterstützt die Vorgänge zwei Kilometer unter Tage: Es beherbergt Büros, Kontrollräume, Reinraumlabore, eine Werkstatt, IT-Infrastruktur, Lagerräume sowie Flächen zur Vorbereitung und Prüfung von Bauteilen vor deren Transport ins Untertagelabor. (Foto: SNOLAB)

Die Bilder, die dem SNOLAB Sie erzählen uns mehr als nur ein unterirdisches Labor. Unterhalb der Creighton-Mine von Vale, nahe Sudbury in Ontario, Kanada, nutzt die Forschung rund zwei Kilometer Gestein als integralen Bestandteil ihrer Instrumente und verwandelt so die Tiefen der Erde in einen natürlichen Schutzschild gegen kosmische Strahlung.

La Fotogallerie Es führt in eine der am besten kontrollierten experimentellen Umgebungen der Erde. Große, in den Kanadischen Schild gehauene Hohlräume beherbergen Detektoren, Kryoanlagen, Reinigungssysteme und Geräte, die physikalische Signale erkennen können, die so schwach sind, dass sie mit dem Umgebungsrauschen verwechselt werden können.

Die Tiefe ist daher keine rein logistische Größe. Die Dicke des Gesteins reduziert die durch kosmische Strahlung erzeugte Hintergrundstrahlung um einen Faktor von etwa 50 Mio.Dadurch würde die Frequenz auf etwa einen kosmischen Strahl pro vier Quadratmeter und Tag sinken. Ohne diese Abschirmung würden Sekundärteilchen, die die Oberfläche erreichen, viele der gewünschten Ereignisse überdecken.

Der Schlüssel liegt nicht nur darin, empfindlichere Instrumente zu bauen, sondern eine Umgebung zu schaffen, die ruhig genug ist, damit sie dem Universum zuhören können. SNOLAB verfügt über rund 5.000 Quadratmeter saubere unterirdische Fläche und arbeitet unter Bedingungen, die denen eines Reinraums der ISO-Klasse 6 ähneln, wo bereits geringste Staubmengen radioaktive Verunreinigungen hervorrufen können.

Die Fotografien verdeutlichen die Komplexität, die für die Erzielung dieser experimentellen Stille erforderlich ist. Hinter jedem Detektor befinden sich Belüftungs-, Kühl-, Stromversorgungs-, Druckluft- und Reinstwassersysteme. Temperatur, Vibrationen, Schwebstoffe und Energiestabilität werden zu wissenschaftlichen Variablen, da sie die erhobenen Daten beeinflussen können.

Zu den spektakulärsten Strukturen gehört die große Trägerkugel der Photomultiplier. SNO+, eine Weiterentwicklung des Sudbury Neutrino Observatory. Tausende von Fotosensoren umgeben das zentrale Volumen und sammeln die schwachen Lichtblitze, die durch Teilchenwechselwirkungen entstehen, und wandeln sie in elektrische Signale um, aus denen die Ereignisse rekonstruiert werden können.

In derselben Umgebung hatte bereits das Experiment stattgefunden. SNODies trug dazu bei, nachzuweisen, dass solare Neutrinos auf ihrem Weg von der Sonne zur Erde ihre „Art“ ändern und somit Masse besitzen können. Die Entdeckung der Neutrinooszillationen brachte Arthur B. McDonald und Takaaki Kajita den Titel ein. Nobelpreis für Physik 2015.

Die Bilder verbinden somit ein grundlegendes Kapitel der modernen Physik mit den noch offenen Fragen. Die neuen Apparaturen untersuchen die Eigenschaften von Neutrinos, suchen nach Teilchen, die von Supernovae erzeugt werden, und versuchen, mögliche Wechselwirkungen zu identifizieren, die auf die Supernovae zurückzuführen sind. Dunkle Materie.

Der Detektor DEAP-3600Das während des Baus sichtbare Gerät nutzt flüssiges Argon, um nach extrem seltenen Kollisionen zwischen hypothetischen Dunkle-Materie-Teilchen und Atomkernen zu suchen. Weitere Fotos zeigen CUTE, Kryogene Untergrundtestanlage, wo extrem empfindliche Detektoren bei sehr niedrigen Temperaturen und unter Bedingungen reduzierter Radioaktivität getestet werden.

Die Fotogalerie verdeutlicht auch den industriellen Maßstab, der für die Seltene-Teilchen-Physik erforderlich ist. Für SNO+ wurden etwa 800 Tonnen Mineralöl unter Tage transportiert, um es zu destillieren und zu reinigen. Generatoren, unterbrechungsfreie Stromversorgungen, Kühlschränke, Pumpen und Flüssigkeitskreisläufe müssen die Experimente schützen, die auf die Datenerfassung über lange Zeiträume ausgelegt sind.

In diesem Umfeld Management digitaler Infrastrukturen wird Teil der wissenschaftlichen Methode. Durch das AVEVA PI System führt SNOLAB Informationen zusammen, die zuvor über speicherprogrammierbare Steuerungen, industrielle Systeme und Einzelgeräte verteilt waren, während AVEVA PI Vision die Visualisierung von Betriebsbedingungen, Zeitabläufen und Anomalien ermöglicht.

Die Möglichkeit, Daten aus verschiedenen Systemen übereinanderzulegen, erlaubt es uns zu überprüfen, was im Labor geschah, als ein Detektor ein ungewöhnliches Ereignis registrierte. So lassen sich beispielsweise ein Stromausfall, eine Vibration, eine Temperaturänderung oder ein Anstieg der Partikelkonzentration in der Luft mit dem Verhalten wissenschaftlicher Instrumente vergleichen.

Die Qualität der Betriebsdaten wird zur Voraussetzung für die Qualität der wissenschaftlichen Daten. Um argumentieren zu können, dass ein Signal von einem Neutrino, einer Supernova oder dunkler Materie stammen könnte, muss es möglich sein, die Möglichkeit auszuschließen, dass es durch eine Maschine, Kontamination oder eine Umweltveränderung erzeugt wurde.

Die Datenanalyse hat bereits konkrete Konsequenzen nach sich gezogen. Bei der Untersuchung eines Umschaltens auf Notstrom stellten die Techniker fest, dass zum Schutz HALO, Helium- und Blei-ObservatoriumEs waren etwa sieben Minuten Akkulaufzeit erforderlich, anstatt der zuvor angenommenen dreißig Minuten, wodurch die Kosten und der Platzbedarf der USV reduziert wurden.

Vibrationssensoren und prädiktive Analysesysteme ermöglichen es uns zudem, potenzielle Motoranomalien zu erkennen, bevor es zu einem Ausfall kommt. In einem Labor, das nur durch ein aktives Bergwerk erreichbar ist, bedeutet die Vorhersage einer Fehlfunktion den Schutz wissenschaftlicher Daten, die Monate oder Jahre von Dauer sein könnten.

Fotos des Übertagegebäudes zeigen, dass sich SNOLAB über zwei sich ergänzende Ebenen erstreckt. Über der Mine befinden sich Büros, Kontrollräume, Labore, Werkstätten und Bereiche zur Bauteilvorbereitung; unter Tage nutzen Experimente die geologische Abschirmung und die für die Forschung in extrem geringer Tiefe notwendigen sauberen Bedingungen.

Die Einrichtung vereint über tausend Nutzer und Kooperationspartner aus 165 Institutionen in 23 Ländern. Grundlagenphysik, Ingenieurwesen, Automatisierung, Kryotechnik, Instandhaltung und Datenwissenschaft laufen hier zusammen und verdeutlichen, wie sehr die großen Fragen zum Universum von scheinbar weit voneinander entferntem Fachwissen abhängen.

In dieser Bildersammlung, SNOLAB Es erscheint daher als eine wissenschaftliche Maschine, verteilt auf Geologie, Infrastruktur, Detektoren und SoftwareDer Fels reduziert den Lärm vom Himmel, die Reinräume begrenzen den Umgebungslärm und die digitalen Systeme ordnen den von den Maschinen erzeugten Lärm: Erst dann, zwei Kilometer unter Ontario, können die schwächsten Signale des Universums sichtbar werden.