Il Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) è un esperimento sui neutrini in fase di realizzazione, con un rivelatore vicino al Fermilab e un rivelatore lontano presso la Sanford Underground Research Facility, che osserverà i neutrini prodotti al Fermilab. Un intenso fascio di trilioni di neutrini proveniente dall'impianto di produzione del Fermilab (in Illinois) verrà inviato a una distanza di con l'obiettivo di comprendere il ruolo dei neutrini nell'universo. Al progetto lavorano più di 1.000 persone tra fisici e ingegneri. L'esperimento è progettato per un periodo di raccolta dati di 20 anni.

Gli obiettivi scientifici primari di DUNE sono

Indagine sulle oscillazioni dei neutrini per testare la violazione di CP nel settore leptonico, che può gettare luce sul perché l'universo è fatto di materia e non antimateria. Determinazione dell'ordinamento delle masse dei neutrini. Studi sulle supernovae e sulla formazione di stelle di neutroni o buchi neri, anche se il rilevatore si trova a in profondità nel sottosuolo senza vista diretta del cielo. Ricerca del decadimento del protone, mai osservato ma previsto dalle teorie che unificano le forze fondamentali.

Nel 2014 il Particle Physics Project Prioritization Panel (P5) ha classificato questo come "il progetto con la massima priorità nel suo arco temporale".. L'importanza di questi obiettivi ha portato alla proposta di progetti concorrenti in altri paesi, in particolare l'esperimento Hyper-Kamiokande in Giappone, la cui raccolta dati dovrebbe iniziare nel 2027. Il progetto DUNE, supervisionato dal Fermilab, ha subito ritardi nella sua programmazione e un aumento dei costi da meno di 2 miliardi di dollari a più di 3 miliardi di dollari, portando ad articoli sulle riviste Science e Scientific American che hanno descritto il progetto come "problematico". "Trying to stay ahead of competition, U.S. pares down troubled $3 billion neutrino experiment" Nel 2022, la Collaborazione che lavora all'esperimento ha indicato come data di inizio del fascio di neutrini l'inizio degli anni '30 e suddiviso il progetto in due fasi.

Progettazione di LBNF/DUNE

Il complesso a lunga base Il complesso che produrrà il faglio per DUNE è chiamato "Long Baseline Neutrino Facility" (LBNF). Il progetto finale prevede un fascio di protoni da 2,4 MW proveniente dall'acceleratore Main Injector da indirizzare in LBNF per produrre pioni e kaoni che vengono focalizzati tramite un campo magnetico in un tubo di decadimento tramite un corno magnetico, dove decadono in neutrini. I neutrini viaggeranno in linea retta attraverso la Terra, raggiungendo circa nel sottosuolo, per arrivare al laboratorio sotterraneo di Lead, nel Dakota del Sud.

Per indirizzare i neutrini verso il laboratorio sotterraneo, il fascio deve essere orientato con un'angolazione accentuata rispetto alla superficie terrestre. La costruzione dell'LBNF prevede la realizzazione di una collina artificiale alta 17,7 metri, composta da terreno compattato, che condurrà a un tunnel di 207 metri di lunghezza, all'interno del quale sarà collocato un tubo di decadimento delle particelle lungo 194 metri. La collina è parte integrante della "migliorata gestione del trizio [che è] un obiettivo importante nella progettazione di questa nuova struttura di potenza a fascio più elevato". Il trizio prodotto dalle linee di luce può entrare nelle falde acquifere superficiali, tuttavia i tassi al Fermilab sono mantenuti a un livello ben al di sotto di quello consentito dalle normative.

Dipendenza di LBNF dal progetto PIP-II Per fornire 1,2 MW di protoni a LBNF, è necessario completare la seconda fase del Proton Improvement Project ("PIP-II"), che aumenterà del 60% la fornitura di protoni agli acceleratori del Fermilab. Il costo di questo aggiornamento del Fermilab a partire dal 2022 è di 1,28 miliardi di dollari. Pertanto, i costi complessivi del PIP-II e della fase I di DUNE superano i 4 miliardi di dollari. Il progetto PIP-II ha ricevuto l'approvazione per iniziare la costruzione nell'aprile 2022 e si prevede che sarà completato entro il 2028.

Il rilevatore lontano DUNE Il design del rilevatore a lunga distanza DUNE si basa sulla tecnologia all'avanguardia della camera a proiezione temporale ad argon liquido (LArTPC). Il rivelatore lontano sarà costituito da un volume totale di 70 kilotoni di argon liquido situato in profondità nel sottosuolo, sotto la superficie. L'attuale progettazione divide l'argon liquido tra quattro moduli LArTPC con un "volume fiduciale" (il volume utilizzabile per l'analisi dei dati raccolti dall'esperimento, che è inferiore al volume totale per evitare interazioni in prossimità dei bordi del rivelatore) di 10 kilotoni ciascuno. Circa 800.000 tonnellate di roccia saranno scavate per creare le caverne per i rilevatori lontani.

Poiché i LArTPC sono una tecnologia relativamente nuova, sono stati necessari un'ampia attività di ricerca e sviluppo e prototipazione. Al CERN vengono costruiti e testati prototipi di rilevatori. Il primo dei due prototipi, il ProtoDUNE a singola fase (esperimento CERN NP04 ), ha registrato le sue prime tracce di particelle nel settembre 2018. La partecipazione del CERN al progetto DUNE ha segnato una nuova direzione nella ricerca sui neutrini del CERN e gli esperimenti sono indicati come parte del programma di ricerca del laboratorio.

I rivelatori dell'esperimento MicroBooNE e dell'esperimento ICARUS sono una coppia di LArTPC da 100 tonnellate operanti al Fermilab che fungono anche da piattaforme di ricerca e sviluppo per lo sviluppo del rivelatore DUNE. Questi esperimenti hanno fornito un contributo importante, ma sono oltre 20 volte più piccoli dei moduli DUNE. MicroBooNE è il rilevatore LArTPC in funzione da più tempo, avendo raccolto dati dal 2015 al 2021, un periodo notevolmente più breve del periodo di 20 anni previsto per DUNE.

Il rilevatore DUNE vicino Il rivelatore DUNE sarà situato presso il Fermilab, immediatamente a valle dell'LBNF, a circa 600 metri dal punto di produzione dei neutrini. Il DUNE Near Detector sarà costituito da diversi sottorivelatori, disposti fianco a fianco. Tra questi, il rivelatore SAND sarà collocato lungo l'asse del fascio di neutrini, mentre NDLAr e NDGar saranno mobili e potranno essere traslati lateralmente rispetto al fascio, permettendo la rilevazione dei neutrini a diversi angoli di produzione. Lo scopo principale è monitorare e caratterizzare il fascio mentre i neutrini vengono creati nella linea LBNF, in modo da fare previsioni accurate sui tassi di interazione al rivelatore lontano DUNE.

La storia che ha portato alla collaborazione internazionale Il progetto è stato originariamente avviato come progetto riservato agli Stati Uniti denominato Long Baseline Neutrino Experiment (LBNE); intorno al 2012-2014 è stato preso in considerazione una riduzione del progetto con un rivelatore vicino alla superficie per ridurre i costi. Tuttavia, il Particle Physics Project Prioritization Panel (P5) ha concluso nel suo rapporto del 2014 che l'attività di ricerca portata avanti da LBNE "dovrebbe essere riformulata sotto gli auspici di una nuova collaborazione internazionale, come un programma coordinato e finanziato a livello internazionale, con il Fermilab come ospite".. La collaborazione LBNE è stata ufficialmente sciolta il 30 gennaio 2015, subito dopo la formazione della nuova collaborazione raccomandata da P5 il 22 gennaio 2015. La nuova collaborazione ha scelto il nome Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE).

In risposta all’appello del P5 per un maggiore coinvolgimento internazionale, a partire dal 2022, scienziati provenienti da oltre 30 paesi sono stati coinvolti nella costruzione di LBNF e DUNE. Nel 2017, il Science and Technology Facilities Council (STFC) del Regno Unito ha annunciato un investimento di 65 milioni di sterline in DUNE e LBNF. Entro il 2022, i partner internazionali che hanno fornito contributi in natura includevano anche il CERN, il Brasile, la Svizzera e la Polonia e il contributo estero totale al progetto da 3 miliardi di dollari è stato di 570 milioni di dollari, ovvero circa il 20%.

Progressi recenti Nell’agosto 2024, è stato annunciato che gli scienziati hanno rilevato i primi neutrini utilizzando un prototipo di rivelatore di particelle DUNE presso il Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.

Revisioni di scopo, costi e tempi Il costo originale del progetto LBNE sono stati stabiliti nella fase 1 del processo di "Decisione critica" del Dipartimento dell'Energia. L'approvazione del CD-1 è avvenuta nel dicembre 2012 Il progetto approvato ha ridotto significativamente la richiesta dei fisici, che è costata 1,7 miliardi di dollari. L'approvazione del CD-1 prevedeva un budget di 850 milioni di dollari, il rilevatore vicino proposto non era incluso e si raccomandava di posizionare i rilevatori lontani in superficie anziché sottoterra.

A seguito della raccomandazione P5 per un progetto più solido che includesse rivelatori sotterranei, nel novembre 2015 il progetto ha ottenuto una prima revisione CD-1 ("CD-1R") con il nome LBNF/DUNE. L'ambito di LBNF/DUNE, delineato nel Conceptual Design Report del 2016, prevedeva il completamento dei primi due moduli del rivelatore lontano entro il 2024, l'entrata in funzione del fascio nel 2026 e l'operatività di tutti e quattro i moduli entro il 2027.. Il Dipartimento dell'Energia ha stimato il costo del progetto tra 1,26 e 1,86 miliardi di dollari. Al momento del CD-1R, il DOE richiese che se il costo di base previsto fosse aumentato fino a superare i 2,79 miliardi di dollari, ovvero il 50% in più rispetto al limite superiore dell'intervallo, il CD-1R dovesse essere rivisto, una situazione che si stava già realizzando nel 2020.

Nel novembre 2021, i funzionari dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia (DOE) hanno riferito al High Energy Physics Advisory Panel che, sebbene DUNE avesse ottenuto 570 milioni di dollari di finanziamenti internazionali in quel momento, il costo totale del progetto era al punto da innescare una nuova revisione del CD-1R, denominata CD-1RR. Le revisioni del DOE condotte a gennaio e giugno 2021 hanno concluso che anche una versione ridotta del progetto, composta solo da due rilevatori lontani e un rilevatore vicino, supererebbe l'intervallo massimo consentito dal DOE per la crescita dei costi totali del progetto, pari a 2,75 miliardi di dollari. Il processo CD-1RR era finalizzato a stabilire un intervallo di costi e un programma migliorati entro la metà del 2022. A causa di una storia di stanziamenti congressuali inferiori a quelli richiesti per il progetto, nella stessa riunione del novembre 2021, il DOE ha presentato un "profilo conservativo [per i finanziamenti] che l'Office of Science può supportare".

Nel marzo 2022, come parte del processo CD-1RR, il DOE ha annunciato che il progetto sarebbe stato completato in due fasi.. Il piano è stato annunciato durante lo Snowmass Process, un evento organizzato periodicamente dalla Divisione di Particelle e Campi (DPF) dell'American Physical Society per pianificare il futuro della fisica delle particelle. Nominalmente, la Fase I consisterebbe nei primi due moduli del rilevatore lontano, un sottoinsieme del sistema del rilevatore vicino e la linea di luce da 1,2 MW, da completare entro il 2032 per un costo stimato di 3,1 miliardi di dollari.