Galeria zdjęć: W kanadyjskim SNOLAB fizyka „słucha” Wszechświata

Dwa kilometry pod powierzchnią Ontario skały, pomieszczenia czyste, detektory i systemy cyfrowe poszukują neutrin, ciemnej materii i niezwykle rzadkich zjawisk naukowych.

SNOLAB: detektory, urządzenia kriogeniczne, pomieszczenia eksperymentalne i kontrola środowiska wspierają programy badawcze poświęcone neutriom, ciemnej materii i fizyce bardzo niskiego tła — Budynek SNOLAB na powierzchni w kopalni Creighton wspiera to, co dzieje się dwa kilometry niżej: mieści biura, pomieszczenia kontrolne, laboratoria, warsztat, infrastrukturę informatyczną, magazyny oraz przestrzeń do przygotowywania i testowania komponentów przed przeniesieniem ich do podziemnego laboratorium. (Zdjęcie: SNOLAB)

Zdjęcia poświęcone SNOLAB Mówią nam więcej niż tylko laboratorium zbudowane pod ziemią. Pod kopalnią Creighton w Vale, niedaleko Sudbury w Ontario w Kanadzie, badania wykorzystują około dwóch kilometrów skał jako integralną część swoich instrumentów, przekształcając głębiny Ziemi w naturalną tarczę chroniącą przed promieniowaniem kosmicznym.

La fotogaleria Prowadzi ona do jednego z najlepiej kontrolowanych środowisk eksperymentalnych na świecie. Duże wnęki wydrążone w Tarczy Kanadyjskiej mieszczą detektory, urządzenia kriogeniczne, systemy oczyszczania i sprzęt zaprojektowany do rozpoznawania sygnałów fizycznych tak słabych, że można je pomylić z otaczającym hałasem.

Głębokość nie jest zatem prostą cechą logistyczną. Grubość skały zmniejsza tło generowane przez promieniowanie kosmiczne o współczynnik około 50 mln, co prowadzi do częstotliwości rzędu jednego promienia kosmicznego na cztery metry kwadratowe dziennie. Bez tej osłony, cząstki wtórne docierające do powierzchni zagłuszałyby wiele poszukiwanych zjawisk.

Kluczem jest nie tylko zbudowanie bardziej czułych instrumentów, ale także stworzenie wystarczająco cichego środowiska, aby umożliwić im słuchanie Wszechświata. SNOLAB dysponuje około 5.000 metrów kwadratowych czystej przestrzeni podziemnej i działa w warunkach zbliżonych do tych, jakie panują w pomieszczeniu czystym ISO 6, w którym nawet minimalna ilość pyłu może wprowadzić zanieczyszczenia radioaktywne.

Zdjęcia pokazują złożoność potrzebną do osiągnięcia tej eksperymentalnej ciszy. Za każdym detektorem znajdują się systemy wentylacji, chłodzenia, zasilania, sprężonego powietrza i wody ultraczystej. Temperatura, wibracje, zawieszone cząstki i stabilność energetyczna stają się zmiennymi naukowymi, ponieważ mogą wpływać na zbierane dane.

Do najbardziej spektakularnych struktur należy duża kula nośna fotopowielaczy SNO+, ewolucja Obserwatorium Neutrinów w Sudbury. Tysiące fotosensorów otacza centralną przestrzeń i zbiera słabe błyski generowane przez interakcje cząstek, przekształcając je w sygnały elektryczne, na podstawie których można odtworzyć zdarzenia.

W tym samym środowisku przeprowadzono już eksperyment NIE, co pomogło wykazać, że neutrina słoneczne mogą zmieniać „smak” podczas podróży ze Słońca na Ziemię, a zatem posiadać masę. Odkrycie oscylacji neutrin przyniosło Arthurowi B. McDonaldowi i Takaaki Kajicie Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki 2015.

Obrazy łączą zatem fundamentalną dziedzinę fizyki współczesnej z wciąż otwartymi pytaniami. Nowe aparaty badają właściwości neutrin, poszukują cząstek generowanych przez supernowe i próbują zidentyfikować możliwe interakcje, które można przypisać Ciemna materia.

Detektor DEAP-3600, widoczny podczas budowy, wykorzystuje ciekły argon do poszukiwania niezwykle rzadkich zderzeń między hipotetycznymi cząsteczkami ciemnej materii a jądrami atomowymi. Inne zdjęcia pokazują CUTE, kriogeniczny podziemny ośrodek testowy, w którym testowane są niezwykle czułe detektory w bardzo niskich temperaturach i warunkach obniżonej radioaktywności.

Galeria zdjęć pokazuje również skalę przemysłową wymaganą do badań fizyki cząstek elementarnych. W przypadku SNO+ około 800 ton ropy naftowej przetransportowano pod ziemię w celu destylacji i oczyszczenia. Generatory, zasilacze UPS, lodówki, pompy i obiegi cieczy muszą chronić eksperymenty zaprojektowane do zbierania danych przez długi czas.

W tym środowisku zarządzanie infrastrukturą cyfrową staje się częścią metody naukowej. Dzięki systemowi AVEVA PI, SNOLAB łączy informacje, które wcześniej były rozproszone między programowalnymi sterownikami logicznymi, systemami przemysłowymi i urządzeniami autonomicznymi, a AVEVA PI Vision umożliwia wizualizację warunków pracy, osi czasu i anomalii.

Możliwość nakładania danych z różnych systemów pozwala nam zweryfikować, co działo się w laboratorium, gdy detektor zarejestrował nietypowe zdarzenie. Awaria zasilania, wibracje, zmiana temperatury lub wzrost stężenia cząstek stałych w powietrzu mogą być zatem porównane z zachowaniem instrumentów naukowych.

Jakość danych operacyjnych staje się warunkiem jakości danych naukowych. Aby twierdzić, że sygnał mógł pochodzić od neutrina, supernowej lub ciemnej materii, trzeba wykluczyć możliwość, że został on wygenerowany przez maszynę, zanieczyszczenie lub zmianę środowiska.

Analiza danych przyniosła już konkretne rezultaty. Badając przełączanie na zasilanie awaryjne, technicy potwierdzili, że w celu ochrony Obserwatorium HALO, helu i ołowiu, wymagany czas pracy baterii wynosił około siedmiu minut zamiast zakładanych trzydziestu, co pozwoliło na ograniczenie kosztów oraz miejsca zajmowanego przez UPS.

Czujniki drgań i systemy analityki predykcyjnej pozwalają nam również identyfikować potencjalne anomalie w działaniu silnika, zanim doprowadzą do awarii. W laboratorium, do którego można dotrzeć jedynie przez czynną kopalnię, przewidywanie awarii oznacza ochronę nabytków naukowych, które mogą przetrwać miesiące, a nawet lata.

Zdjęcia budynku na powierzchni pokazują, że SNOLAB rozciąga się na dwóch uzupełniających się poziomach. Nad kopalnią znajdują się biura, sterownie, laboratoria, warsztaty i pomieszczenia do przygotowywania komponentów; pod ziemią eksperymenty wykorzystują osłonę geologiczną i czyste warunki niezbędne do badań na bardzo małej głębokości.

Centrum zrzesza ponad tysiąc użytkowników i współpracowników ze 165 instytucji w 23 krajach. Podstawy fizyki, inżynierii, automatyki, kriogeniki, konserwacji i nauki o danych spotykają się w jednym miejscu, pokazując, jak ważne pytania dotyczące Wszechświata zależą od pozornie odległej wiedzy specjalistycznej.

W tej kolekcji obrazów, SNOLAB dlatego wydaje się, że maszyna naukowa rozproszona pomiędzy geologią, infrastrukturą, detektorami i oprogramowaniemSkała redukuje hałas dochodzący z nieba, pomieszczenia czyste ograniczają hałas otoczenia, a systemy cyfrowe porządkują hałas generowany przez maszyny: dopiero wtedy, dwa kilometry poniżej Ontario, mogą pojawić się najsłabsze sygnały Wszechświata.