Fotogalleri: På kanadensiska SNOLAB "lyssnar" fysiken på universum

Två kilometer under Ontario söker berg, renrum, detektorer och digitala system efter neutriner, mörk materia och extremt sällsynta vetenskapliga fenomen.

SNOLAB: detektorer, kryogena anläggningar, experimentrum och miljökontroll stöder forskningsprogram inriktade på neutriner, mörk materia och fysik med mycket låg bakgrund — SNOLAB-byggnaden ovan jord vid Creighton-gruvan stöder det som händer två kilometer nedanför: den inrymmer kontor, kontrollrum, rena laboratorier, en verkstad, IT-infrastruktur, förvaring och utrymme för att förbereda och testa komponenter innan de överförs till det underjordiska laboratoriet. (Foto: SNOLAB)

Bilderna tillägnade SNOLAB De berättar mer än bara ett laboratorium byggt under jord. Under Vales Creighton-gruva, nära Sudbury i Ontario, Kanada, använder forskningen cirka två kilometer berg som en integrerad del av sina instrument, vilket förvandlar jordens djup till en naturlig sköld mot kosmisk strålning.

La fotogalleri Den leder in i en av de mest kontrollerade experimentmiljöerna på planeten. Stora hålrum inristade i Canadian Shield-huset, detektorer, kryogena anläggningar, reningssystem och utrustning utformad för att känna igen fysiska signaler så svaga att de kan förväxlas med omgivande buller.

Djup är därför inte en enkel logistisk egenskap. Bergets tjocklek minskar bakgrundseffekten av kosmisk strålning med en faktor på ungefär 50 miljoner, vilket bringar den till en frekvens i storleksordningen en kosmisk stråle per fyra kvadratmeter och dag. Utan denna avskärmning skulle sekundära partiklar som når ytan översvämma många av de eftertraktade händelserna.

Nyckeln är inte bara att bygga känsligare instrument, utan att skapa en miljö som är tillräckligt tyst för att de ska kunna lyssna på universum. SNOLAB har cirka 5 000 kvadratmeter rent underjordiskt utrymme och arbetar under förhållanden som liknar dem i ett ISO 6-renrum, där även en minimal mängd damm kan introducera radioaktiva föroreningar.

Fotografierna visar den komplexitet som krävs för att uppnå denna experimentella tystnad. Bakom varje detektor finns system för ventilation, kylning, kraft, tryckluft och ultrarent vatten. Temperatur, vibrationer, suspenderade partiklar och energistabilitet blir vetenskapliga variabler eftersom de kan påverka de insamlade data.

Bland de mest spektakulära strukturerna finns den stora stödsfären för fotomultiplikatorerna av SNO+, en utveckling av Sudbury Neutrino Observatory. Tusentals fotosensorer omger den centrala volymen och samlar in de svaga blixtar som produceras av partikelinteraktioner, och omvandlar dem till elektriska signaler från vilka händelserna kan rekonstrueras.

Samma miljö hade redan varit värd för experimentet SNO, vilket hjälpte till att visa att solneutriner kan ändra "smak" under resan från solen till jorden och därför besitta massa. Upptäckten av neutrinoscillationer gav Arthur B. McDonald och Takaaki Kajita den Nobelpriset i fysik 2015.

Bilderna kopplar således samman en grundläggande sida inom samtida fysik med de frågor som fortfarande är öppna. De nya apparaterna studerar neutrinos egenskaper, söker efter partiklar som genereras av supernovor och försöker identifiera möjliga interaktioner som kan hänföras till mörk materia.

Detektorn DEAP-3600, synlig under konstruktionen, använder flytande argon för att söka efter extremt sällsynta kollisioner mellan hypotetiska mörka materiapartiklar och atomkärnor. Andra fotografier visar CUTE, kryogen underjordisk testanläggning, där extremt känsliga detektorer testas vid mycket låga temperaturer och under förhållanden med reducerad radioaktivitet.

Fotogalleriet visar också den industriella skala som krävs för fysik med sällsynta partiklar. För SNO+ transporterades cirka 800 ton mineralolja under jord för destillation och rening. Generatorer, avbrottsfria strömförsörjningar, kylskåp, pumpar och vätskekretsar måste skydda experiment som är utformade för att samla in data under långa perioder.

I den här miljön hantering av digital infrastruktur blir en del av den vetenskapliga metoden. Genom AVEVA PI-systemet sammanför SNOLAB information som tidigare distribuerats mellan programmerbara logikstyrenheter, industriella system och fristående enheter, medan AVEVA PI Vision låter dig visualisera driftsförhållanden, tidslinjer och avvikelser.

Möjligheten att lägga data från olika system över varandra gör att vi kan verifiera vad som hände i laboratoriet när en detektor registrerade en ovanlig händelse. Ett strömavbrott, en vibration, en temperaturförändring eller en ökning av luftburna partiklar kan således jämföras med beteendet hos vetenskapliga instrument.

Kvaliteten på operativa data blir ett villkor för kvaliteten på vetenskapliga data. För att argumentera för att en signal skulle kunna komma från en neutrino, en supernova eller mörk materia måste det vara möjligt att utesluta möjligheten att den genererades av en maskin, kontaminering eller en miljöförändring.

Dataanalysen har redan gett konkreta konsekvenser. Teknikerna studerade en övergång till reservkraft och verifierade att det för att skydda HALO, Helium- och blyobservatorietkrävdes ungefär sju minuters batteritid, istället för de trettio som tidigare antagits, vilket minskade kostnaderna och det utrymme som UPS-enheten upptog.

Vibrationssensorer och prediktiva analyssystem gör det också möjligt för oss att identifiera potentiella motoravvikelser innan de leder till fel. I ett laboratorium som endast är tillgängligt genom att korsa en fungerande gruva innebär det att förutsäga ett fel att skydda vetenskapliga förvärv som kan ta månader eller år.

Fotografier av byggnaden ovan jord visar att SNOLAB sträcker sig över två kompletterande nivåer. Ovanför gruvan finns kontor, kontrollrum, laboratorier, verkstäder och utrymmen för att förbereda komponenter; under jord utnyttjar experimenten den geologiska avskärmning och rena förhållanden som är nödvändiga för forskning på ultragrunt djup.

Anläggningen samlar över tusen användare och samarbetspartners från 165 institutioner i 23 länder. Grundläggande fysik, teknik, automation, kryogenik, underhåll och datavetenskap samlas på ett ställe, vilket visar hur de stora frågorna om universum är beroende av till synes avlägsen expertis.

I den här bildsamlingen, SNOLAB det framstår därför som en vetenskaplig maskin fördelad mellan geologi, infrastruktur, detektorer och programvaraStenen minskar bruset från himlen, renrummen begränsar omgivningsbuller och de digitala systemen styr bruset som genereras av maskinerna: först då, två kilometer nedanför Ontario, kan universums svagaste signaler framträda.