Pour se rendre à la salle blanche de SNOLAB, où l’expérience SENSEI doit être hébergée, un voyage à plus d’un kilomètre sous terre à l’intérieur d’une mine en activité, illustrée ici, est nécessaire. Crédit : SNOLAB
Dans la recherche de particules de matière noire, une expérience sur table au cœur d’une mine canadienne pourrait faire l’affaire. La collaboration SENSEI utilise des dispositifs à couple chargé de skipper, ou CCD, qui sont les capteurs les plus sensibles de leur genre, imaginés il y a des décennies et réalisés seulement récemment.
La collaboration récemment prouvé que l’expérience dispose d’un détecteur de matière noire sensible et qu’il peut réduire les taux de fond dans une zone expérimentale souterraine au Fermilab du ministère de l’Énergie. Maintenant, la collaboration exécute une version plus grande, exponentiellement plus silencieuse et plus sensible de l’expérience à plus d’un mile sous terre à SNOLAB au Canada.
Avec le COVID-19[feminine pandémie et la fermeture de la frontière canado-américaine, l’expérience aurait pu facilement prendre du retard en 2020. Au lieu de cela, elle est dans sa phase de mise en service – test avec environ 20% du matériau cible que l’expérience utilisera lorsque les couches externes de blindage seront en place. Un travail d’équipe extraordinaire entre les physiciens des deux côtés de la frontière a permis d’avancer dans les délais.
Rester en sécurité tout en faisant progresser la science
Alors que la pandémie s’installait pour son troisième ou quatrième mois, il est apparu à Javier Tiffenberg, scientifique associé au Fermilab et collaborateur de SENSEI, que l’installation expérimentale prévue par l’équipe du Fermilab, qui devait commencer en 2020, devait être repensée.
Sans moyen de se rendre sur le site, l’équipe SENSEI a contacté SNOLAB pour voir si le personnel était disposé à installer lui-même l’expérience hypersensible avec le guidage à distance du Fermilab. Le personnel de SNOLAB est déjà familiarisé avec les défis uniques de l’installation d’expériences dans un laboratoire propre situé dans une mine en activité. Cette fois, ils effectueraient une installation d’une semaine pour une expérience à laquelle ils n’allaient pas participer à l’origine.
SNOLAB était un jeu.
“Nous serons leurs mains car ils ne peuvent pas être ici”, a déclaré Silvia Scorza, chercheuse au SNOLAB, à propos de la perspective adoptée pour le projet. Elle fait partie des employés de SNOLAB qui ont aidé à installer des projets à distance pendant la pandémie.
“Lorsque les gens de SNOLAB ont dit qu’ils étaient intéressés à contribuer à cela, puis de notre côté, les ingénieurs et les techniciens ont dit:” Oui, nous pouvons le faire “, j’étais super excité parce que je pensais vraiment que cela se préparait”, Tiffenberg mentionné.
Greg Derylo, ingénieur à la division de physique des particules du laboratoire Fermi, a conçu l’agencement de SENSEI, a travaillé avec le groupe de dessin pour faire des dessins de toutes les pièces mécaniques et s’est procuré des pièces auprès d’ateliers d’usinage sur site et hors site. En raison des effets des restrictions COVID-19 sur l’accès au campus du Fermilab, il a également effectué la majeure partie de l’assemblage physique de l’expérience.
Derylo a déclaré que le démontage au Fermilab et le remontage au SNOLAB faisaient toujours partie du plan. Mais l’installation à distance a présenté un nouveau problème.
“Le vrai truc vient en termes de qui fait cette assemblée sous terre”, a-t-il déclaré. La principale préoccupation était la gestion des CCD fragiles (et coûteux) du skipper, qui sont « très sensibles aux dommages électrostatiques ». Moins que ce qu’une personne peut ressentir dans sa main après avoir frotté ses pieds sur un tapis et touché une poignée de porte pourrait détruire les capteurs. Ainsi, les physiciens et techniciens du SNOLAB ont suivi un cours spécial de manipulation électronique.
Des tests, des tests et une fête très pandémique
Avant que l’expérience puisse être mise entre les mains de SNOLAB, elle devait être testée et documentée.
« Nous avons tout testé au Fermilab. Nous avons tout assemblé de la même manière qu’ils le feraient là-bas », a déclaré Derylo.
Le premier test était mécanique – assembler la coque extérieure de l’expérience pour confirmer qu’elle tiendrait le vide – et un test de performance thermique. SENSEI s’appuie sur la cryogénie pour « froidir ». Pour ce faire, l’équipe du Fermilab a mis en place une instrumentation supplémentaire pour surveiller les températures et effectuer des diagnostics. Les deux ont fonctionné comme prévu.
Au début de l’automne 2020, l’équipe du Fermilab a installé un ensemble de modules de test dans l’expérience, l’a allumée, l’a refroidie, refroidie et fait fonctionner les modules. La lecture s’est déroulée sans accroc. L’équipe a célébré – chaque membre depuis son propre emplacement via Zoom – avec du champagne.
Documentation et modelage à la main
Habituellement, la documentation est plus une série de rappels que des instructions détaillées, et les membres de l’équipe peuvent avoir une intuition du processus ou se fier en grande partie à leur mémoire.
La création d’instructions pour une équipe peu familière avec l’expérience nécessitait une communication de niveau supérieur. Cela signifiait principalement créer une documentation avec beaucoup plus de détails.
Les étiquettes de l’ingénieur Fermilab Greg Derylo sont visibles sur SENSEI. Derylo a ajouté les étiquettes pour faciliter la documentation lorsqu’il s’est rendu compte que différents membres de l’équipe avaient des définitions différentes du recto et du verso pour l’expérience. Crédit : SNOLAB
Parce que l’équipe savait que l’installation serait distante, elle a profité de son propre assemblage pendant les tests.
“Nous avons pris des photos de tout”, a déclaré Tiffenberg. « Avoir cette documentation était essentiel. »
Mais y parvenir n’a pas été sans défis. Avec plusieurs personnes documentant à différents moments en raison de la pandémie, la communication au sein du groupe est également devenue plus importante que d’habitude. Différents techniciens avaient des perspectives différentes, littéralement.
“En fait, nous avions en fait des définitions opposées de ce qu’était l’avant de la configuration”, a déclaré Derylo. Le remède? Le plus récent de SENSEI et l’un de ses composants les plus importants : les étiquettes autocollantes.
L’équipe a également intégré des points d’arrêt dans la documentation. Une fois qu’une paire SNOLAB atteignait l’un de ces points, elle pouvait déterminer si elle avait le temps de passer à l’étape suivante d’un quart de travail ou si elle avait besoin de clarification de la part de l’équipe du Fermilab.
Le premier projet était prêt vers le début de 2021. Derylo a déclaré que la documentation était divisée en différentes sections et comptait environ 70 pages. Le document s’apparente à une esquisse « fortement pimentée de photos ». Les schémas du système d’aspiration, du système de refroidissement et du câblage électrique étaient également fournis, mais ne faisaient pas partie du livret.
“Ensuite, nous l’avons démonté mais avons essayé de garder autant de pièces ensemble que possible, puis nous l’avons expédié à SNOLAB en janvier”, a déclaré Tiffenberg.
Une salle blanche ultrapropre dans une mine en activité
Mis à part les problèmes de pandémie, le processus d’installation des expériences dans l’installation souterraine de SNOLAB a toujours été complexe. Après tout, il s’agit d’un laboratoire propre situé à plus d’un kilomètre sous terre, à l’intérieur d’une mine en activité.
“Une planification et une préparation minutieuses commencent à la surface”, a déclaré Scorza.
Là, au début de la journée, des physiciens, des ingénieurs et des techniciens habillés comme des mineurs (plus des masques et des badges de recherche de contacts pour la pandémie) attendent “la cage”, un ascenseur minier pour les emmener profondément sous terre.
Entrée du labo sous terre, vue du côté sale du lave-auto : Toute personne qui entre dans le labo de l’autre côté doit se doucher et changer de vêtements. Chaque article qui entre dans le laboratoire doit passer par le lave-auto. Crédit : SNOLAB
La descente prend moins de cinq minutes. Mais ensuite, il y a un voyage de près d’un mile à travers un tunnel minier avec une voie ferrée qui le longe.
“Alors, surveillez vos pas”, a déclaré Scorza.
A la fin de ce trek, un labo propre. Avant d’entrer, les bottes sont lavées dans une station spéciale. Les vêtements et les bottes sont laissés d’un côté. Les personnes entrant dans le laboratoire propre se déshabillent, se douchent et s’habillent avec de nouveaux vêtements propres de l’autre côté de la douche pour éviter la contamination. Un « coordinateur responsable du laboratoire » vérifie que le laboratoire est autorisé à travailler – en vérifiant les niveaux d’oxygène, entre autres paramètres. Il faut environ une heure entre la surface et le début des travaux, et la même chose – moins la douche – pour le retour. Dans une journée de 10 heures, cela laisse environ huit heures par équipe pour assembler l’expérience.
Une équipe de quatre personnes, composée de scientifiques de SNOLAB et d’un technicien, se relaient et travaillent en binôme pour l’installation. (Personne ne peut être seul sous terre, et il existe des restrictions sur le nombre maximum de personnes pour maintenir une distance physique.)
“L’emballage est très particulier”, a déclaré Tiffenberg.
À l’opposé de la mine, de l’autre côté du lave-auto se trouve le laboratoire lui-même, une installation ultra propre. Crédit : SNOLAB
Chaque pièce reçue doit passer par « le lave-auto souterrain », a déclaré Scorza. Chaque article est emballé dans un triple emballage et sur une double palette pour rationaliser le processus complexe de déballage et d’essuyage des matériaux avant qu’ils ne puissent entrer dans le laboratoire de salle blanche. De l’autre côté du lave-auto, le laboratoire propre. Pour SENSEI, les pièces comprenaient le tuyau, le câble, la cuve, les pièces en cuivre pour le côté intérieur, la cryogénie, les couches de blindage en plomb et en cuivre et la cloche.
“Lorsque ces choses ont été conçues, bien sûr, l’expédition de tout ce qui est assemblé ne faisait pas partie de la liste des exigences”, a déclaré Tiffenberg. “Pour la grande majorité des choses que nous avons expédiées, tout allait parfaitement bien.”
Seuls quelques petits morceaux de plastique – facilement remplaçables – se sont détachés et se sont cassés.
Une fois que tout a été ouvert et que « semblait bien », Tiffenberg a déclaré que c’était un « grand, grand soulagement ».
L’installation a commencé le 19 avril et s’est terminée à la fin de l’été.
Le 6 août, Steve Linden, chercheur au SNOLAB, continue d’assembler SENSEI dans la salle blanche souterraine. Crédit : SNOLAB
Bien que la salle blanche de SNOLAB soit équipée de téléphones et de Wi-Fi, la communication en dehors de la documentation se fait principalement lors de réunions hebdomadaires. Le plan a changé de semaine en semaine, selon que l’équipe pouvait se rendre sous terre en raison de la disponibilité et des restrictions COVID.
Certains jours, cela impliquait un soin extrême : toucher ces CCD de skipper. Dans d’autres, il s’agissait d’utiliser une grue pour déplacer le blindage en plomb. Scorza a déclaré que le mélange de travaux que SNOLAB permet aux scientifiques d’entreprendre – pratiques et analytiques – leur donne une expérience plus complète en physique expérimentale. «Et, c’est très amusant. Au moins pour moi.”
“Je pense que le fait qu’une équipe, une équipe de scientifiques SNOLAB, pas très impliquée à l’origine dans l’expérience, soit capable de progresser avec l’installation souterraine montre que, tout d’abord, les physiciens sont très flexibles”, a déclaré Scorza. «Et (c’est) un témoignage de la robustesse du plan de cette expérience. Chapeau à l’équipe du Fermilab.
Tiffenberg a déclaré qu’il était reconnaissant que l’installation se soit déroulée sans accroc ni surprise.
« Il a fallu beaucoup de temps pour arriver à cette situation dans laquelle il n’y a pas de surprises. Au début, tout se disait : « D’accord, nous passons beaucoup de temps à ajuster, coordonner, revoir les choses. Et cela a pris du temps. Mais maintenant que les choses bougent, ce temps que nous avons pris là-bas, nous apprécions, car maintenant tout est sans surprise. »
Bien que maintenant que l’expérience prenne des données, une surprise sous la forme d’une découverte scientifique serait une belle récompense.
